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Full text of "Le Scienze, n. 406"

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Nuove 

ipotesi 

sull' 



Provoca dolore toracico, 

infarto e ictus, causando 

ogni anno più decessi 

del cancro; ma l'ipotesi 

che per molto tempo 

è stata generalmente 

accettata sull'eziologia 

di questa malattia 

oggi si rivela errata 



UN PROCESSO ATEROSCLER0TIC0 

in un'arteria che irrora it cuore può spianare 

la strada all'infarto del miocardio. 




di Peter Libby 



ROSI 



Solo cinque anni fa la maggior parte dei medici 
avrebbe descritto l'aterosclerosi come un tipico 
problema da idraulico: un viscido strato di grasso 
che si deposita a poco a poco sulla superficie di pa- 
reti arteriose inerti. Se un deposito (una placca) di- 
venta abbastanza grande, finisce per ostruire la 
«tubatura» colpita, impedendo al sangue di rag- 
giungere il tessuto da irrorare. Dopo un certo tempo, il tessuto de- 
privato di sangue muore. Quando a soccombere è una parte del 
muscolo cardiaco o del cervello, si verificano rispettivamente un in- 
farto del miocardio o un ictus. Oggi sono ben pochi coloro che ac- 
cettano ancora questa spiegazione semplicistica. Ricerche iniziate 
più di 20 anni fa hanno dimostrato che le arterie non sono affatto 
tubi inanimati: contengono cellule vive, che comunicano in conti- 
nuazione fra loro e con l'ambiente circostante. Queste cellule par- 
tecipano allo sviluppo e alla crescita delle placche aterosclerotiche, 
che si accrescono all'interno della parete dei vasi e non sulla loro 
superficie. Inoltre solo un numero relativamente esiguo di questi 
depositi si espande al punto da ridurre sostanzialmente il flusso 
sanguigno. La maggior parte degli infarti, e anche molti episodi di 
ictus, si originano invece da placche meno invadenti che si rompo- 
no improvvisamente, provocando la formazione di un coagulo di 
sangue, o trombo, che ostruisce il flusso ematico. Per di più, le ri- 
cerche hanno confermato che l'infiammazione ha un ruolo chiave 
nell'aterosclerosi. Questo processo - lo stesso che provoca arros- 
samento, rigonfiamento, sensazione di calore e di dolore a livello 
delle ferite infette -è alla base di tutte le varie fasi di questa patolo- 
gia, dalla formazione delle placche alla loro crescita e rottura. Quan- 
do microrganismi invasori minacciano di colpirci, l'infiammazione 



3? 



aiuta a respìngere l'infezione. Nel caso 
dell'aterosclerosi, tuttavia, l'infiammazio- 
ne si rivela nociva: sono le nostre stesse 
difese a danneggiarci, proprio come acca- 
de in patologie di tipo infiammatorio me- 
glio conosciute, come l'artrite reumatoide. 
Questa concezione riveduta e corretta 
suggerisce nuove idee per l'individuazio- 
ne e il trattamento dell'aterosclerosi. Ma 
fornisce anche una risposta ad alcune do- 
mande assillanti: per esempio, perché 
molti infarti del miocardio colpiscono 
senza preavviso, e perché alcune terapie 
per prevenire l'infarto cosi spesso fallisco- 
no? Sono assolutamente necessari ulte- 
riori progressi nel campo della prevenzio- 
ne, dell'individuazione e delle terapie per 
l'aterosclerosi. Contrariamente a ciò che 
si pensa di solito, nelle nazioni industria- 
lizzate gli infarti e gli ictus legati all'ate- 
rosclerosi superano il cancro come causa 
di morte, e stanno diventando più fre- 
quenti anche nei paesi in via di sviluppo. 

Fuoco alle polveri 

Non disponendo di strumenti che per- 
mettessero di descrivere le interazioni fra 
cellule e molecole, gli scienziati antichi 
che per primi descrissero l'infiammazione 
furono costretti a concentrarsi su ciò che 
potevano vedere e percepire. Oggi sappia- 
mo che i sintomi visibili esteriormente so- 
no il ri (lesso di una lotta all'ultimo sangue 
su un campo di battaglia microscopico. 
Dopo aver individuato un attacco micro- 
bico in corso, alcuni leucociti - i combat- 
tenti di prima linea del sistema immunita- 
rio - si concentrano nel tessuto minaccia- 
to e secernono una serie di sostanze chi- 
miche. Fra di esse vi sono ossidanti [capa- 
ci di danneggiare gli invasori) e molecole 
segnale, fra le quali piccole proteine (cito- 
chine) che organizzano le attività delle 
cellule difensive. Per questo motivo, si 
può dimostrare che è in atto una risposta 
di tipo infiammatorio identificando le cel- 
lule infiammatorie o i mediatori della loro 
attività all'interno dei tessuti. 

Il quadro più chiaro del ruolo che l'in- 
fiammazione svolge nell'esordio dell'ate- 
rosclerosi proviene dagli studi sulle lipo- 
proteine a bassa densità (LDL), note anche 
come «colesterolo cattivo». Le particelle di 
LDL, costituite da molecole lipidiche e 
proteiche, trasportano il colesterolo (an- 
ch'esso un lipide) dal loro punto di orìgi- 
ne nel fegato e nell'intestino ad altri or- 
gani. Da molto tempo si sa che, per quan- 
to l'organismo abbia bisogno di LDL e dì 
colesterolo, quantità eccessive di queste 
due sostanze favoriscono l'aterosclerosi; 
tuttavìa, ancora recentemente, non ci si 
spiegava come mai un loro eccesso con- 
ducesse alla formazione di placche. 

Esperimenti effettuati su cellule in 



coltura e su modelli animali indicano 
ora che i problemi incominciano quando 
le LDL circolanti nel sangue si concen- 
trano nell'intima, lo strato di parete arte- 
riosa più vicino al torrente sanguigno. 
Finché sono presentì ne! sangue in con- 
centrazione ragionevole, le LDL possono 
attraversare nei due sensi l'intima, che è 
composta principalmente dalle cellule 
endoteliali che rivestono le pareti vasai 1, 
dalla matrice extracellulare sottostante 
(tessuto connettivo) e da uno sfraterei lo 
di cellule muscolari lisce (che producono 
la matrice). Ma quando sono eccessiva- 
mente concentrate, le LDL tendono a de- 
positarsi nella matrice. 

Via via che esse si accumulano, ì lìpidi 
di cui sono composte vanno incontro a 
ossidazione, mentre le loro proteine subi- 
scono sia ossidazione sia glicosilazione 
(cioè sì legano a molecole di zuccheri). 
Sembra che le cellule nelle pareti dei vasi 



IN SINTESI 



li e muscolari lisce inducono i monocìti a 
moltiplicarsi e a maturare, diventando 
macrofagi attivati. Questi cominciano a 
spazzar via gli invasori (o presunti tali) 
dalle pareti dei vasi. In risposta alle pro- 
teine emesse dalle cellule endoteliali e 
muscolari lisce dell'intima che sono state 
stimolate, i macrofagi espongono sulla 
superfìcie cellulare molecole chiamate re- 
cettori «spazzini», che catturano le LDL 
modificate e aiutano i macrofagi a fago- 
citarle. Alla fine i macrofagi accumulano 
tante goccioline lipidiche che al micro- 
scopio assumono un aspetto schiumoso. 
In effetti, quando sì riferiscono ai macro- 
fagi in questo stato, i patologi parlano di 
cellule schiumose. 

Analogamente ai monocìti, che seguo- 
no le molecole di adesione e le chemochi- 
ne fino all'intima, anche i linfociti T - 
leucociti del sangue che rappresentano 
una differente branca del sistema immu- 



■ Oggi gli scienziati concordano sul fatto che l'infiammazione alimenti lo sviluppo 
e la progressione dell'aterosclerosi, ossia il pericoloso accumulo nelle arterie 

di depositi lipidici, chiamati placche. La vecchia teoria, secondo la quale il grasso 
si accumula su pareti arteriose inerti, non è più sostenibile. 

■ L'infiammazione può anche causare la rottura di alcune placche. 

Sulle placche frammentate tendono a formarsi coaguli di sangue, i quali possono 
poi occludere le arterie portando alle complicazioni tipiche dell'aterosclerosi, 
quali l'infarto del miocardio e l'ictus. 

■ Un eccesso di lipoproteine a bassa densità [LDL], o «colesterolo cattivo», 
nel sangue può provocare un'infiammazione delle arterie, mentre terapie mirate 
alla riduzione dei lipidi ■ che rappresentano già pietre miliari nel trattamento 
dell'aterosclerosi - possono ridurla. Sono anche allo studio strategie capaci 

di interferire In modi diversi con il processo infiammatorio. 

■ Un test ematico in grado di individuare un'infiammazione in corso può rivelarsi 
un utile complemento alle analisi volte a misurare il colesterolo, oggi comunemente 
utilizzate per verificare il rischio di infarto del miocardio e di ictus. 



interpretino questi cambiamenti come un 
segnale dì pericolo e siano indotte a chia- 
mare in rinforzo i componenti del sistema 
immunitario. 

In particolare, sulla superficie a contat- 
to col sangue, le cellule endoteliali espon- 
gono molecole dì adesione, le quali sì fis- 
sano come il Velcro a cellule infiammato- 
rie quiescenti, i monociti, normalmente 
circolanti. Questa interazione fa sì che i 
monociti escano dal flusso ematico e si 
fissino alle pareti arteriose. Oltre a ciò, le 
LDL modificate inducono le cellule endo- 
teliali e le muscolari lisce a secernere che- 
mochìne, che attraggono i monociti. Co- 
me cani da caccia che annusano l'odore 
della preda, i monocìti si insinuano fra le 
cellule endoteliali e seguono la pista chi- 
mica fino all'intima. 

A questo punto, le chemochine e altre 
sostanze elaborate dalle cellule endotelia- 



nitarìo - si comportano allo stesso modo. 
Queste cellule liberano a loro volta cìto- 
chine, che amplificano le attività infiam- 
matorie nelle pareti arteriose. Assieme, i 
macrofagi schiumosi e, in misura minore, 
i linfociti T, costituiscono la cosiddetta 
«stria lipidica», un precursore delle plac- 
che complesse che, in un secondo tempo, 
deformeranno le arterie. 

La crescita delle placche 

Quando una risposta infiammatoria 
che si verifichi - poniamo - a livello di 
un ginocchio sbucciato, riesce a bloccare 
un'infezione, i macrofagi rilasciano mo- 
lecole che facilitano la guarigione del 
tessuto. Un processo di «guarigione» 
analogo accompagna anche il fenomeno 
infiammatorio più cronico e meno in- 
tenso che sì verifica nell'aterosclerosi. 



38 



LESCIENZE 406 /giugno 2002 



NUOVI RUOLI PER ATTORI NOTI 

onì divulgative dell'aterosclerosi definiscono, a ragione, le 
_ _ _assa densità (LDL] come «cattive» e le lipoproteine ad alta densit_ , 
come «buone». Eppure, queste particelle (qui illustrate in sezione) svolgono funzioni 
più diversificate di quanto si pensasse un tempo. Le lipoproteine trasportano 
il colesterolo nel flusso ematico. Le LDL lo veicolano dal fegato ai diversi tessuti, 
che lo utilizzano per riparare le membrane cellulari o per produrre steroidi. 
Le HDL trasportano il colesterolo verso il fegato, per l'eliminazione o il riciclo. 
L'Ipotesi classica sull'eziologia dell'aterosclerosi sosteneva che l'eccesso di LDL, 
che si accumulano sulle pareti dei vasi, promuovesse lo sviluppo di questa patologia. 
Lavori più recenti dimostrano invece che queste particelle si accumulano all'interno 
della parete dei vasi, dove le loro componenti vengono ossidate e modificate 
in diversi modi; le componenti alterate, a loro volta, stimolano una risposta 
infiammatoria che, progressivamente e pericolosamente, modifica le arterie. 
1 medici, inoltre, attribuiscono generalmente gli effetti protettivi delle HDL 
alla loro azione di rimozione del colesterolo dal flusso sanguigno. È certo che le HDL 
svolgono questa funzione, ma nuove scoperte indicano che possono anche 
combattere l'aterosclerosi interferendo con il meccanismo di ossidazione delle LDL 




Tuttavia, invece di ripristinare la struttu- 
ra originaria delle pareti arteriose, que- 
sto processo le rimodella in modo biz- 
zarro, producendo alla fine una placca 
più grande e più complessa. 

Negli ultimi anni, si è scoperto che i 
macrofagi, le cellule endoteliali e le cel- 
lule muscolari lisce dell'intima infiam- 
mata secernono fattori che inducono le 
cellule muscolari lisce della media (il tes- 
suto sottostante l'intima) a migrare fino 
alla superfìcie dell'intima, a replicarsi e a 
sintetizzare componenti della matrice 
extracellulare. Le cellule e le molecole 
della matrice si aggregano in uno strato 
fibroso, che ricopre la regione ateroscle- 
rotìca originaria. Via via che questo 
«cappuccio» matura, la regione sotto- 
stante subisce alcune modificazioni, la 
più evidente delle quali è che una parte 
delle cellule schiumose muore, liberando 



lipidi. Per questo motivo, i patologi 
chiamano la zona sottostante il cappuc- 
cio nucleo! ipidico o necrotico. Per gran 
parte della loro esistenza le placche atero- 
sclerotiche si espandono all'esterno, anzi- 
ché infiltrarsi nel lume dell'arteria. Questo 
meccanismo mantiene inalterato il flusso 
ematico per parecchio tempo, addirittura 
decenni. Quando le placche arrivano a 
protrudere verso l'interno, restringono il 
lume del vaso causando la cosiddetta ste- 
nosi, che può ostacolare il trasporto del 
sangue ai tessuti soprattutto nei momenti 
di grande fabbisogno. 

Quando una persona svolge esercizio 
fisico o è in situazione dì stress, per esem- 
pio, i! flusso di sangue attraverso un'arte- 
ria cardiaca compromessa può essere in- 
sufficiente, causando una sensazione di 
tensione, di schiacciamento o di pressione 
in sede retrosternale: l'angina pectoris. Il 



restringimento di altre arterie può causare 
crampi ai polpacci o alle natiche durante 
uno sforzo, sintomi che vengono chiama- 
ti claudicazione intermittente. 

Che cosa provoca le crisi 

Talvolta le dimensioni di una placca 
aumentano tanto da bloccare o quasi il 
flusso sanguigno in un'arteria, causando 
un infarto o un ictus. E tuttavia, solamen- 
te il 15 percento degli infarti del miocar- 
dio è indotto da questo tipo di dinamica. 
Esaminando le pareti dei vasi sanguigni 
di individui deceduti per infarto, i patolo- 
gi hanno dimostrato che la maggior parte 
di questi eventi si verifica dopo che il 
cappuccio fibroso di una placca si rompe, 
aprendosi e favorendo la formazione di 
un coagulo sopra il punto di rottura. Le 
placche più a rischio di rottura possiedo- 
no un cappuccio assottigliato, una note- 
vole riserva lipidica e molti macrofagi, e 
la loro fragilità deriva, proprio come ac- 
cade nelle fasi più precoci dell'ateroscle- 
rosi, dal processo infiammatorio. 

L'integrità del rivestimento fibroso di- 
pende in gran parte da resistenti fibre di 
collagene, che vengono sintetizzate dalle 
cellule muscolari lisce. Quando un evento 
scatena un'infiammazione all'interno di 
una placca relativamente tranquilla, i me- 
diatori di tale processo possono compro- 
mettere l'integrità del cappuccio almeno 
in due modi. 11 mio gruppo di ricerca ha 
dimostrato che questi mediatori dell'in- 
fiammazione possono stimolare i macro- 
fagi a secernere enzimi che degradano il 
collagene, inibendo anche la secrezione, 
da parte delle cellule muscolari lisce, del 
nuovo collagene necessario per riparare e 
mantenere integro il cappuccio. 

I coaguli si formano quando il sangue 
filtra attraverso una fessura nel cappuc- 
cio, e incontra un nucleo lipidico pullu- 
lante di proteine capaci di facilitarne la 
coagulazione. Per esempio, le molecole 
presenti sui linfociti T nelle placche sti- 
molano le cellule schiumose a produrre 
elevate quantità di fattore tissutale, un 
potente procoagulante. Ma anche lo stes- 
so sangue circolante contiene precursori 
delle proteine coinvolte nella cascata di 
reazioni responsabile della formazione 
del coagulo. Quando il sangue entra in 
contatto con il fattore tissutale e con altre 
sostanze procoagulanti nel nucleo di una 
placca, i precursori della coagulazione si 
mettono all'opera. D nostro organismo 
sintetizza sostanze che possono prevenire 
la formazione di un coagulo, o lo posso- 
no degradare; tuttavia le placche infiam- 
mate liberano composti che impediscono 
il funzionamento dei meccanismi natura- 
li di degradazione dei coaguli. 

Se un coagulo è dissolto naturalmente 



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39 



molteplici ruoli dell'infiammazione 

LJ infiammazione si sviluppa quando alcuni leucociti (quelli che normalmente 
> rappresentano la prima linea di difesa contro le infezioni] infiltrano e 
modificano un tessuto. Queste illustrazioni rappresentano la crescita di una placca 
aterosclerotica in un'arteria coronaria; nelle tre viste in dettaglio sono evidenziati 
alcuni dei processi infiammatori che possono verificarsi a seguito di un eccesso 
di lipoproteine a bassa densità [LDL] nel sangue, 



COME CRESCE UNA PLACCA 

4 Le molecole infiammatorie possono promuovere l'ulteriore crescita 
della placca e la formazione di un cappuccio fibroso sopra il nucleo 
lipidico. Il cappuccio si sviluppa quando le molecole inducono le cellule 
muscolari lisce della tonaca media a migrare alla superficie dell'intima, 
a moltiplicarsi e a produrre una matrice spessa e fibrosa che fa aderire 
te cellule fra loro. Il cappuccio accresce le dimensioni della placca ma, 
allo stesso tempo, la avvolge isolandola dat Flusso sanguigno. 



LA ROTTURA DELLA PLACCA 

5 In seguito, sostanze infiammatorie secrete dalle cellule schiumose 
possono indebolire pericolosamente il cappuccio, digerendo 
le molecole della matrice e danneggiando le cellule muscolari lisce, 
che a questo punto non sono più capaci di riparare il cappuccio. 
Nel frattempo, le cellule schiumose possono esporre un fattore tissutale 
che costituisce un potente promotore della coagulazione. Se la placca 
indebolita si rompe, il fattore tissutale inizierà a interagire con 
gli elementi del sangue che favoriscono la coagulazione, causando 
la formazione di un tromba. Se questo è sufficientemente grande, 
bloccherà il fi usso sanguigno diretto al cuore, causando un infarto 
del miocardio, vale a dire la morte del tessuto cardiaco. 



SEZIONE TRASVERSALE 
01 UN'ARTERIA 
CORONARIA SANA 



Canale 
sanguigno 




MEDIA 



COME SI FORMA UNA PLACCA 

1 Le particelle di LDL in eccesso si 
accumulano nella parete del vaso, dove 
subiscono alterazione chimica. Quindi le LDL 
modificate stimolano le cellule endoteliali 
a esporre molecole di adesione, che si fissano 
ai monociti (i quali svolgono un ruolo centrale 
nell'infiammazione] e ai linfociti T (un'altra 
classe dì cellule del sistema immunitario) 
nel sangue. Le cellule endoteliali secernono 
anche chemochine, che richiamano le cellule 
immunitarie intrappolate verso l'intima. 



SEZIONE DI ARTERIA 
COLPITA DA 
ATEROSCLEROSI 



2 Nell'intima i monociti maturano 
trasformandosi in macrofagi attivati. 
I macrofagi e i linfociti T producono molte 
sostanze p rinfiammatone, fra cui le cìtochine 
(dì cui è ben nota la funzione dì trasporto di 
segnali fra le cellule del sistema immunitario] 
e i fattori che promuovono la divisione 
cellulare. I macrofagi espongono sulla propria 
membrana anche recettori cosiddetti 
«spazzini», che li aiutano a ingerire 
te LDL modificate. 



31 macrofagi inglobano grandi quantit 
di LDL, riempiendosi di goccioline lipidiche 
e assumendo un caratteristico aspetto 
schiumoso. Queste cellule schiumose, 
assieme ai linfociti T, costituiscono la stria 
lipidico, ossia la struttura iniziale della placca 
aterosclerotica. 



LE SCIENZE 406 /giugno 2002 



L'AUTORE 



PETER LIBBY, laureatosi all'Università 
della California a San Diego, dirige il Re- 
parto di medicina cardiovascolare al 
Brigham and Women's Hospital, inse- 
gna alla Harvard Medicai School ed è 
curatore della V) edizione di Hean Dì- 
sease, un classico della cardiologia. 



o con l'aiuto di farmaci, il processo di ri- 
parazione può riattivarsi, ricostituendo il 
cappuccio, ma anche allargando ulterior- 
mente la placca con formazione di tessu- 
to cicatriziale. 

Il quadro dell'aterosclerosi di recente 
emerso spiega perché molti episodi di in- 
farto sembrino avere origine dal nulla: le 
placche che si frammentano non sempre 
sporgono nel lume dell'arteria, e quindi 
possono anche non causare angina o mo- 
strarsi chiaramente nelle immagini del 
vaso. Questa nuova ipotesi chiarisce an- 
che perché le terapie che hanno come 
obiettivo l'allargamento del lume nelle 
arterie semioccluse (angioplastica con ca- 
tetere a palloncino o inserimento ài sten t 
a gabbia metallica) o che, mediante inter- 
vento chirurgico, creano un bypass pos- 
sono alleviare l'angina, e tuttavia spesso 
non impediscono un futuro infarto del 
miocardio. In questi casi, il pericolo può 
nascondersi altrove, in una placca che re- 
stringe il vaso in misura minore, ma è più 
incline a rompersi. Purtroppo, anche 
quando il problema è realmente rappre- 
sentato dalla stenosi, le arterie spesso si 
rioccludono abbastanza rapidamente, in 
parte perché le terapie stesse possono su- 
scitare un'intensa risposta infiammatoria. 

Oltre il colesterolo cattivo 

Nonostante le LDL spesso stimolino la 
sequenza di eventi che ho descritto, sono 
stati identificati altri fattori che certamen- 
te aumentano il rischio individuale di ate- 
rosclerosi o delle complicanze a essa col- 
legate. Molti di questi fattori di rischio si- 
curi, nonché alcuni ancora in fase di stu- 
dio, manifestano proprietà infiammatorie 
interessanti. Prima di descriverne alcuni, 
devo premettere che, probabilmente, le 
LDL hanno un ruolo addirittura maggiore 
di quanto finora si ipotizzasse nell'avvia- 
re e nel mantenere l'aterosclerosi. 

Secondo una statistica spesso citata, il 
50 per cento dì tutti i pazienti che sof- 
frono dì angina o che hanno subito un 
infarto non possiede livelli di LDL sopra 
la media, un dato che è stato spesso in- 
terpretato affermando che, in queste 
persone, le LDL non hanno influenza 
sull'aterosclerosi che è alla base di que- 
ste patologie. Tuttavia, i livelli tipici di 




LDL nella società occidentale sono di 
gran lunga superiori alle reali necessità 
dell'organismo e, di fatto, possono pro- 
muovere le malattie cardiocircolatorie. 

In effetti, in risposta a dati recenti che 
correlano la salute del cuore con i livelli 
di 1 ipoprotei ne, le autorità sanitarie han- 
no progressivamente ridefinito il concetto 
di livello «normale» di LDL. Le linee guida 
pubblicate lo scorso anno negli Stati Uni- 
ti da una commissione di esperti in colla- 
borazione con i National Institutes of 
Health definiscono chiaramente come ot- 
timali livelli dì colesterolo LDL inferiori a 
100 milligrammi per decilitro di sangue 
(mg/dL). E, per certi individui che presen- 
tino fattori dì rischio multipli, suggerisco- 
no anche di prendere in considerazione il 
trattamento farmacologico più precoce- 
mente che in passato, già quando i livelli 
di LDL tocchino i 130 mg/dL, anziché 
160. Nel caso di individui adulti che pre- 
sentino un rischio relativamente basso di 
malattia cardiaca, le linee guida racco- 
mandano (come prima) dì iniziare «cam- 
biamenti nello stile dì vita», cioè dieta ed 
esercizio fisico, già a 160 mg/dL e dì 
prendere in considerazione il trattamento 
Farmacologico a 190 mg/di. 

Anche se i ricercatori devono ancora 
analizzare i rapporti tra altri fattori di ri- 



schio e infiammazione con lo stesso li- 
vello dì dettaglio con cui sono state stu- 
diate le LDL, tuttavìa hanno scoperto le- 
gami indicativi. Il diabete, per esempio, 
innalza i livelli di glucosio nel sangue; 
questo zucchero può aumentare la glico- 
silazione, e quindi le proprietà infiam- 
matorie, delle LDL. Il fumo provoca la 
formazione di sostanze ossidanti e po- 
trebbe accelerare l'ossidazione dei com- 
ponenti delle LDL, promuovendo perciò 
l'infiammazione arteriosa anche in indi- 
vidui con livelli di LDL nella media. L'o- 
besità contribuisce a determinare il dia- 
bete e l'infiammazione vascolare. L'ele- 
vata pressione sanguigna può non eser- 
citare effetti infiammatori diretti, ma un 
ormone parzialmente responsabile dell'i- 
pertensione nell'uomo, l'angiotensina 11, 
sembra in grado di stimolare l'infiam- 
mazione. Elevati livelli di questo ormo- 
ne, quindi, potrebbero provocare simul- 
taneamente ipertensione e aterosclerosi. 
Al contrario, le lipoproteine ad alta 
densità (HDL) sembrano avere effetti be- 
nefìci. Via via che i livelli di questo cole- 
sterolo «buono» scendono, la probabilità 
di subire un attacco cardiaco aumenta. Di 
conseguenza, per ottenere stime più pre- 
cise del rischio cardiovascolare effettivo, 
oggi molti medici misurano non solo i li- 



42 



LESCIENZE 406 / giugno 2G02 



velli ematici di LDL, ma anche quelli di 
HDL e il rapporto fra LDL (comprese le di- 
verse molecole affini) e HDL. Le HDL po- 
trebbero conseguire i loro effetti benefici 
in parte riducendo l'infiammazione: as- 
sieme al colesterolo, possono trasportare 
enzimi con funzione antiossidante in gra- 
do di degradare 1 lipidi ossidati. 

Considerando i compiti che l'infiam- 
mazione solitamente svolge nell'organi- 
smo, i biologi hanno verificato se le infe- 
zioni arteriose possano contribuire all'in- 
fiammazione. Recenti lavori indicano 
che l'aterosclerosi può svilupparsi in as- 
senza di infezione. Nonostante ciò, alcu- 
ni dati fanno pensare che certi microrga- 
nismi, come gli herpesvirus o il batterio 
Chlamydìa pneumonia (causa frequente 
di infezioni respiratorie), possano talvol- 
ta indurre o aggravare l'aterosclerosi, C. 
pneumonia, per esempio, è presente in 
molte placche ateroscl erotiche e i suoi 
componenti cellulari possono indurre ri- 
sposte infiammatorie da parte dei macro- 
fagi, dell'endotelio vascolare e delle cel- 
lule muscolari lisce. 

Le infezioni potrebbero anche agire a 
distanza, con quello che io chiamo «effet- 
to eco». Quando l'organismo combatte le 
infezioni, i mediatori dell'infiammazione 
possono finire nel sangue ed essere tra- 
sportati altrove. In teoria, queste sostanze 
possono stimolare i leucociti che si trova- 
no nelle placche aterosclerotiche, favo- 
rendo la crescita o la rottura della placca. 

Ridurre il pericolo 

Considerato il ruolo fondamentale del- 
l'infiammazione nell'aterosclerosi, se ne 
deduce che farmaci ad attività anti-in- 
fiammatoria potrebbero rallentare la pro- 
gressione della malattia, e alcuni di essi 
(fra cui l'aspirina) sono già in uso o in fa- 
se di studio. Ma la logica e le ricerche 
svolte finora fanno pensare che sia neces- 
sario cercare anche altrove. 

L'aspirina appartiene alla classe dei 
farmaci antinfiammatori non steroide! 
(FANS), che comprende comuni analgesi- 
ci come l'ibuprofen e il naprossene. Ana- 
logamente ad altri FANS, l'aspirina può 
bloccare la formazione di certi mediatori 
lipidici dell'infiammazione, fra cui le pro- 
staglandine, che producono dolore e feb- 
bre. Le sperimentazioni cliniche indicano 
che l'aspirina protegge dall'infarto e, in 
alcuni pazienti, anche dai mini-ictus (at- 
tacchi ischemici transitori, o TIA). Tutta- 
via, le basse dosi che consentono questa 
protezione, anziché placare l'infiamma- 
zione, riducono probabilmente la coagu- 
labilità del sangue. 

Vi sono pochi dati clinici relativi agli 
effetti di altri FANS sull'aterosclerosi, e al- 
cuni dati sembrano indicare che gli inibì- 



UN TEST PREDITTIVO 

devono decidere se un paziente necessita di un 
_ preventiva contro l'infarto o l'ictus da aterosclerosi, ì medici fanno affidamento 
sull'analisi della concentrazione del colesterolo nel sangue del paziente 
(o, più precisamente, della concentrazione delle lipoproteine che trasportano 
il colesterolo). Tuttavia, questo tipo di analisi non riesce a individuare un elevato 
numero di indivìdui a rischio. Numerosi studi indicano che la misurazione della 
concentrazione ematica della proteina C-reattiva -un marcatore dell'infiammazione 
- potrebbe fornire indicazioni utili. In effetti, in un recente lavoro, Paul M. Ridker 
del Brigham and Women's Hospital ha dimostrato che l'esame congiunto dei livelli 
di proteina C-reattiva (che non possono essere ricavati dai valori del colesterolo] 
e dei livelli di colesterolo offre un'indicazione più precisa del rischio di quanto non 
faccia il colesterolo da solo [nel grafico}. 

Ridker ha raggruppato i livelli di colesterolo della popolazione adulta media 
in cinque intervalli progressivamente crescenti [quintili] e, separatamente, ha fatto 
la stessa cosa con i livelli di proteina C-reattiva. In seguito, ha determinato il rischio 
relativo di persone che mostravano diverse combinazioni dei valori di proteina 
C-reattiva e di colesterolo. In altre parole, ha assegnato un valore di rischio pari a 1 
a coloro i cui livelli di colesterolo e di proteina cadevano entrambi nel quintile inferiore 
[nell'angolo del grafico in primo piano) ', calcolando poi di quanto aumentava il rischio 
negli adulti che possedevano diverse combinazioni nei livelli delle due sostanze. 

Ha cosi scoperto che alti livelli di proteina C-reattiva corrispondono a un rischio 
significativo di infarto o ictus anche in persone con livelli di colesterolo che appaiono 
rassicuranti. Per fare un esempio, coloro che hanno un livello medio dì colesterolo 
(terzo quintile) e i valori più alti di proteina C-reattiva corrono, all'in ci rea, lo stesso 
rischio di chi ha il livello più elevato di colesterolo ma un livello minimo di proteina 
C-reattiva; mentre i soggetti che possiedono i valori più elevati per entrambe 
le sostanze risultano anche quelli più a rischio. Incoraggiati da simili risultati, 
i ricercatori sperano ora di intraprendere un vasto studio per verificare se il fatto 
di basare la scelta terapeutica su test che prendano in esame sia la proteina 
C-reattiva sia il colesterolo possa salvare vite umane. 




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43 



tori selettivi dell'enzima COX-2, che pro- 
duce le prostaglandine, potrebbero addi- 
rittura incrementare lo sviluppo di trombi 
in alcuni pazienti. Il cortisone e gli steroi- 
di affini potrebbero rivelarsi troppo tossici 
per un uso prolungato, e non esistono da- 
ti che confermino la loro utilità nel ridur- 
re le complicanze dell'aterosclerosi. 

Anche se i Tannaci antinfiammatori si 
dimostrassero efficaci, potrebbe essere 
necessario somministrarli per anni di se- 
guito. Questa prospettiva è preoccupante, 
perché l'interferenza continua con i pro- 
cessi infiammatori potrebbe comportare 
un prezzo troppo alto: un più elevato ri- 
schio di infezione. Può darsi che un gior- 
no venga messo a punto un sistema per 



Le statine - che riducono i livelli di LDL e 
di altri lipidi «cattivi» favorendone l'elimi- 
nazione dall'organismo - limitano anche 
la biodisponibilità di composti chimici 
che permettono alle cellule di rispondere 
ai mediatori dell'infiammazione. 

Farmaci sperimentali diretti contro al- 
tri fattori di rìschio per l'infarto e l'ictus 
potrebbero a loro volta svolgere un'utile 
attività antinfiammatoria: candidati ovvi 
sono agenti in grado di elevare i livelli di 
HDL o di limitare l'azione dell'angiotensi- 
na II. 11 trattamento con vitamine antios- 
sidanti si è però rivelato deludente. 

Per quanto un farmaco possa essere ef- 
ficace, se rimane sugli scaffali delle far- 
macie si rivelerà comunque inutile. 1 me- 



Le placche che si frammentano 

non sempre sporgono nell'arteria 

e possono anche non causare angina 



arrestare l'infiammazione cronica e dege- 
nerante dell'aterosclerosi senza minare il 
sistema immunitario nel suo complesso. 
Tuttavìa, ritengo che una strategìa più 
concreta dovrebbe concentrarsi nel neu- 
tralizzare i fattori che stanno alla base 
dell'infiammazione arteriosa. 

Per fortuna, disponiamo già di qualche 
strumento: una dieta salutare per il cuore, 
esercizio fisico regolare e, per gli indivi- 
dui obesi, la perdita dì peso possono ri- 
durre il rischio di un infarto cardiaco e 
combattere il diabete. Inoltre, dal 1994, 
alcuni trial clinici hanno stabilito senza 
ombra di dubbio che i farmaci che ridu- 
cono i lipidi possono diminuire la proba- 
bilità dì complicazioni aterosclerotìche e 
prolungare la vita indipendentemente dai 
livelli individuali di rischio. Non è stato 
ancora identificato il meccanismo alla 
base del successo di questi farmaci, che 
non sembrano ridurre la stenosi in ma- 
niera significativa. Tuttavia, studi su col- 
ture cellulari, su modelli animali e su pa- 
zienti umani indicano che la riduzione 
dei lipidi potrebbe aiutare a limitare l'in- 
fiammazione, minimizzando la formazio- 
ne delle placche e rendendo quelle esì- 
stenti meno inclini alla rottura. 

Studi recenti sulle statine (farmaci in 
grado di controllare i lipidi) avvalorano 
questa idea, confermando che questi a- 
genti possono ridurre l'infiammazione nei 
pazienti. Esperimenti compiuti su cellule 
isolate e su animali di laboratorio indica- 
no, a loro volta, che gli effetti antinfiam- 
matori dì questi farmaci potrebbero non 
dipendere unicamente dai cambiamenti 
nella concentrazione dei lipidi nel sangue. 



dici hanno bisogno di strumenti migliori 
per individuare un'eventuale aterosclero- 
si in molti individui i cui livelli lipidici ri- 
sultano troppo buoni per giustificare un 
trattamento farmacologico. Recenti sco- 
perte suggeriscono che i test ematici che 
abbinano l'analisi dei lìpidi al monitorag- 
gio della proteina C-reattiva potrebbero 
migliorare la diagnosi. 

Verso un'individuazione 
precoce 

La presenza della proteina C- reattiva 
nel sangue indica che nell'organismo è in 
corso un'infiammazione. Un livello molto 
elevato di questa sostanza, anche in pre- 
senza di valori di LDL troppo bassi per in- 
durre a un trattamento sulla base delle at- 
tuali linee guida, indica un maggior ri- 
schio di infarto o di ictus. Per di più, si è 



BIBLIOGRAFIA 



visto che, almeno in uno studio, la som- 
ministrazione di statine a persone con 
una concentrazione di LDL al di sotto del- 
la media, ma con alti livelli di proteina C- 
reattiva, riduceva l'incidenza dell'infarto 
rispetto al gruppo di controllo. 

Metodi non invasivi che identificassero 
le placche a rischio potrebbero aiutare 
anche a individuare quelle persone che 
non mostrano segni premonitori di infar- 
to o di ìctus ma che, nondimeno, sono 
destinate a subirli. Fra le idee in fase di 
studio ci sono la misurazione del calore 
dei vasi sanguigni e miglioramenti delle 
attuali tecnologie di diagnostica per im- 
magini, come la risonanza magnetica per 
immagini (MRI) o la tomografia compu- 
terizzata (TC), per aumentarne la capacità 
di visualizzare depositi all'interno delle 
pareti vasai i. Nel frattempo, i genetisti so- 
no a caccia delle varianti geniche che 
rendono alcune persone più vulnerabili 
all'infiammazione cronica e all'ateroscle- 
rosi con le sue complicazioni, si da per- 
mettere agli individui più soggetti a svi- 
luppare questi disturbi di richiedere un 
monitoraggio assiduo e cure adeguate. 

Per la maggior parte della storia uma- 
na, gli effetti collaterali dell'infiammazio- 
ne sono passati in secondo piano rispetto 
all'importanza che questo meccanismo ri- 
veste nel respingere le infezioni. Oggi, 
poiché viviamo più a lungo, facciamo 
meno esercizio fisico, mangiamo troppo e 
fumiamo, molti di noi soffrono del lato 
oscuro dell'infiammazione, che compren- 
de la sua capacità di contribuire all'atero- 
sclerosi e ad altre patologie croniche. Gli 
scienziati continuano a cercare di capire 
quale sia il ruolo dell'infiammazione nel- 
l'aterosclerosi e di decifrare le complesse 
interazioni che scatenano e perpetuano i 
processi infiammatori nelle arterie. Queste 
conoscenze dovrebbero permetterci di 
mettere a punto nuove anni contro una 
malattia la cui diffusione sta crescendo in 
tutto il mondo e che causa un numero di 
morti davvero troppo alto. 



LIBBY P., The Molecular Bases of Acute Coronari) Syndromes, in «Circulation», 91, n. 11, 
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44 



LE SCIENZE 406 /giugno 2002 





di R. Ruffini, P. Chardonnet, 
C. Bianco, S.-S. Xue e F. Fraschetti 



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UNASTELLA 

MASSICCIA, 

dotata di campo 

elettromagnetico, 

sta collassando 

a formare un buco 

nero presso tconfini 

di una galassia. 

In una frazione 

di secondo, alcuni 

decimi della sua 

massa vengono 

integralmente 

convertiti 

in radiazione di alta 

energia. Questo 

cataclisma sarà 

individuabile in tutto 

l'universo 

e testimonio ra 

che l'energia 

pud sfuggire 

da un buco nero. 




LE SCIENZE 406 /giugno 2002 



wwwiescienze.it 



Da 30 anni gli astronomi osservano giganteschi 
cataclismi che in pochi secondi liberano più energia 
di tutte le stelle dell'universo. Questi impulsi gamma 
sarebbero la «trasmissione in differita» di tutti gli eventi 
di nascita di buchi neri dotati di campo elettromagnetico 






Sapevate che, ogni volta che accendete un fiammifero, sfruttate la famosa relazione di Einstein £ = me 2 ? Questa 
equazione esprime il fatto che la conversione della massa in energia è operante in ogni fonte energetica. Così, nel 
corso di una semplice combustione, l'emissione di energia dovuta al riarrangiamento delle nubi elettroniche di ato- 
mi o molecole che passano da uno stato eccitato a uno stato più stabile si traduce in una perdita di massa: lo stato fi- 
nale è più leggero di quello iniziale, anche se solo di una parte su 10 miliardi. Per quanto siano vistosi alla nostra sca- 
la, i meccanismi chimici riescono a convertire in energia solo una proporzione infima della materia, ed è a causa di 
questa inefficienza che l'equivalenza fra massa ed energia non è stata riconosciuta che in tempi recenti. Le reazioni 
nucleari sono fenomeni di una categoria del tutto diversa, in quanto sono capaci di trasformare in energia alcune unità percentuali 
della massa degli atomi. La loro scoperta ha ribaltato la nostra visione del mondo: si è compreso come funziona il Sole [che trasfor- 
ma in energia milioni di tonnellate di materia al secondo), ma si è anche costruita la bomba atomica. 



Da 30 anni ci troviamo di fronte a una 
terza classe di fenomeni, gli impulsi gam- 
ma, così potenti che stanno al Sole come 
questo sta a un fiammifero. Si è stimato 
che gli impulsi gamma producano in po- 
chi secondi fino a IO 17 joule, vale a dire 
l'equivalente dell'energia irradiata da tut- 
te le stelle dell'universo, ovvero quella 
che verrebbe generata dalla conversione 
completa e istantanea in energia della 
massa del Sole. Ma come è possibile una 
trasformazione del genere? Dagli anni 
settanta si conosce un meccanismo fisico 
capace di una simile impresa: l'estrazione 
di energia da un buco nero. 

Nel 1971, alla Princeton University, 
Demetrios Christodoulou e uno di noi 
(Remo Ruffìni) scoprirono che i buchi ne- 
ri non sono semplicemente grandi «aspi- 
ratori» cosmici, ma possono, in linea dì 
principio, costituire le più potenti fonti dì 
energia dell'universo. Essi espressero il 
concetto di estrazione di energia da un 
buco nero per mezzo di una formula det- 
ta di massa-energia, che forniva il limite 
superiore della massa teoricamente recu- 
perabile. Nel 1974 Thibault Damour e 
Ruffini dimostrarono che, quando una 
stella collassa formando un buco nero 
dotato di campo elettromagnetico, una 
frazione enonne della sua massa - che 
può arrivare al 50 per cento - può essere 
integralmente trasformata in fotoni di al- 
tissima energia. Recentemente abbiamo 
dimostrato che questo modello spiega 
con grande precisione le principali carat- 
teristiche degli impulsi gamma. 

Cominciamo riassumendo ciò che si sa 
- da tempi molto recenti - su queste mi- 
steriose esplosioni, prima di illustrare i 
dettagli del nostro modello e le prospetti- 
ve che esso apre all'astrofisica e alla Fisica 
fondamentale. 

Cataclismi misteriosi 

Nel 1973 Ray Klebesadel, lan Strong e 
Roy Olsen del Los Alamos National Labo- 
ratory pubblicarono i dati raccolti dalla 
costellazione VELA, una classe di satelliti 
militari americani deputati a controllare 



l'applicazione del trattato che metteva al 
bando gli esperimenti nucleari in atmo- 
sfera. Lanciati nel 1963, questi satelliti 
muniti di rivelatori sensibili ai raggi X e 
ai raggi gamma erano in grado di indica- 
re la provenienza dei fotoni di alta ener- 
gia individuati. Per di più, dato che i loro 
ideatori temevano che i Sovietici speri- 
mentassero bombe atomiche sulla Luna, i 
satelliti VELA non si limitavano a sorve- 
gliare la Terra, ma osservavano anche il 
cielo. Questa combinazione di circostanze 
fu una fortuna per gli astrofisici i quali 
scoprirono, sìa pure 10 anni dopo i mili- 
tari, che lampi di raggi gamma appariva- 
no sporadicamente sulla volta celeste, al 
ritmo di uno al giorno circa. 

Nel corso degli ultimi 10 anni lo studio 
degli impulsi gamma ha tratto vantaggio 
da un'impressionante dispiegamento di 
osservatori sulla Terra e nello spazio. So- 
no stati lanciati sei telescopi spaziali sen- 
sibili ai raggi X e gamma (Compton-GRO, 
Chandra, XMM-Newton, Beppo-SAX, 
Rossi-XTE e HETE 2) e la regione ottica 
dello spettro è stata coperta da] telescopio 
spaziale H ubbie in collegamento con i 
due telescopi giganti Keck, alle Hawaii, e 
con il VLT europeo, in Cile, Lo spettro ra- 
dio è stato esaminato dalla schiera di an- 
tenne del VLA, nel New Mexico. Dunque, 



IN SINTESI 



la caccia mondiale agli impulsi gamma 
costituisce un impegno sperimentale sen- 
za precedenti nella storia della scienza. 

Durante gli anni novanta, grazie a 
Compton-GRO e al suo rivelatore di raggi 
gamma BATSE, si è scoperto che gli im- 
pulsi gamma sono distribuiti in maniera 
uniforme sulla volta celeste. Si è concluso 
quindi che gli oggetti che li hanno pro- 
dotti non hanno la stessa distribuzione 
delle stelle della Via Lattea, e che devono 
essere o molto vicini alla Terra, o molto 
lontani, esterni alla nostra galassia. In 
quest'ultimo caso, la maggior parte degli 
impulsi che osserviamo dovrebbe trovarsi 
a distanze dell'ordine del miliardo o della 
decina di miliardi dì anni luce. Questi ri- 
sultati hanno condotto gli astronomi a 
considerare gli Impulsi gamma come i ca- 
taclismi più violenti che avvengano nel- 
l'universo. Più recentemente, importanti 
passi avanti sono stati compiuti grazie al- 
le osservazioni del satellite italo-olandese 
Beppo-SAX. 

Questo osservatorio spaziale sensibile 
ai raggi X e gamma fu lanciato nel 1996, 
con IO anni di ritardo rispetto al pro- 
gramma e costi enormemente superiori al 
previsto. Per dì più, quando arrivò nella 
sua ori) ita finale, gli astronomi si accorse- 
ro che ì giroscopi funzionavano male, il 



■ Da anni gli astronomi rilevano sporadicamente lampi di raggi gamma sulla volta 
celeste. Grazie a sei telescopi spaziali sensìbili ai raggi X e gamma (fra cui Beppo-SAX] 
si è scoperto che buona parte di essi si genera a miliardi di anni luce di distanza. 

■ Gli autori hanno proposto un modello che -coniugando relatività generale e 
meccanica quantistica - spiega il fenomeno: in una stella con un intenso campo 
elettromagnetico, le cariche elettriche del plasma possono temporaneamente 
separarsi; se in tali circostanze il nucleo collassa per diventare un buco nero, parte 
dell'energia della stella è trasferita al campo elettromagnetico sulla sua superficie. Ciò 
con un meccanismo che - in un arco dì tempo brevissimo - può trasformare in energia 
fino al 50 per cento della massa iniziale della stella. 

■ Con l'aiuto del programma di simulazione di esplosioni termonucleari presso il 
Lawrence Lìvermore Laboratori, il modello è stato in grado di rendere conto del 
complesso, apparentemente inspiegabile, andamento dell'intensità delle emissioni 
gamma e X che caratterizza il fenomeno. 



48 



LESCIENZE 406/ giugno 2002 




UNA STELLA IN ROTAZIONE, dotata di campo 
magnetico, possiede un campo elettrico capace 
di creare uno squilibrio di carica fra le regioni 
centrali e gli strati più esterni [a] . Se il nucleo 
collassa rapidamente, imprigiona te cariche al 
suo interno [b] e poi forma un buco nero (e), alla 
cui superficie il campo elettrico, molto 
amplificato, polarizza il vuoto (d). L'energìa 
acquisita dal campo è trasformata in un plasma 
di elettroni e positroni che si espande a velocità 
ultrarelativistiche (e) ed entra in collisione con 
gli strati superiori della stella di cui accelera le 
particelle pesanti, e finisce per liberare un 
intenso «sbuffo» di raggi gamma (f). L'ondata di 
particelle pesanti accelerate incontra la materia 
interstellare, producendo l'emissione resìdua [g]. 




che comportava ritardi di parecchie ore 
quando si modificava l'orientazione del 
satellite. Tuttavia, queste stesse caratteri- 
stiche che lo rendevano così disastroso 
dal punto di vista «contabile» gli permise- 
ro di rendere servizi importanti alla co- 
munità scientìfica. In effetti, quando il sa- 
tellite Compton rivelò, nel 1997, un nuo- 
vo impulso gamma, si tentò di localizzar- 
lo esattamente sulla volta celeste per 
mezzo degli strumenti ad alta risoluzione 
di Beppo-SAX, Ci vollero otto ore per far 
ruotare il satellite ma, dopo aver quasi 
perduto la speranza di vedere qualcosa, 
gli astronomi ebbero la sorpresa dì con- 
statare che non era troppo tardi: l'impulso 
gamma continuava a essere ben osserva- 
bile nei raggi X. 

La comunità astronomica internazio- 
nale aveva ormai a disposizione grandi 
osservatori ottici (in particolare i due tele- 
scopi giganti delle Hawaii e il telescopio 
spaziale Hubble), che non esistevano 10 
anni prima e che riuscirono, una volta 
che Beppo-SAX ebbe localizzato l'impul- 
so, a irìeiuifieame l'immagine ottica. In 
questo modo si mise in evidenza il fatto 
che gli impulsi gamma sono sovente se- 
guiti da un'emissione residua (nelle regio- 
ni spettrali dei raggi X e del visibile) che 
dura da 24 ore a parecchi mesi. Si potè 
anche misurare per la prima volta Io spo- 
stamento verso il rosso (dovuto all'espan- 
sione dell'universo) dell'immagine visibi- 
le associata ad alcuni impulsi e ricavarne 
esattamente la distanza. Quella che fino 
ad allora era solo un'ipotesi fu cosi con- 
fermata: gli impulsi gamma erano avve- 
nuti a parecchi miliardi dì anni luce dì di- 
stanza. Se si suppone che le esplosioni as- 
sociate agli impulsi siano isotrope, la loro 
luminosità osservata e la loro distanza 
dalla Terra indicano che l'energia in gio- 
co è gigantesca. 

Gli astrofisici hanno stabilito che que- 
sta enonne quantità di energia deve esse- 
re emessa in pochi secondi, in una regio- 
ne di diametro pari ad alcune decine di 
chilometri soltanto. La spiegazione di un 
simile fenomeno è tanto più diffìcile in 
quanto gli impulsi gamma si sono rivelati 
estremamente diversificati: alcuni durano 
una trentina di millisecondi, altri parecchi 
minuti. Perdi più, la loro luminosità varia 
in maniera imprevedibile. Sono stati pro- 
posti numerosi modelli per spiegare sia il 
«motore» degli impulsi sìa le caratteristi- 
che della loro emissione [distinzione fra 
impulsi veloci e impulsi lenti, esistenza di 
una emissione residua e così via). Tutta- 
via, non è stato possibile descrivere con 
precisione l'insieme dei fenomeni osser- 
vati. Oggi riteniamo che gli impulsi gam- 
ma siano la trasmissione in differita (a 
causa del carattere finito della velocità 
della luce) di tutti gli eventi di nascita di 



www.lescienze.it 



43 



L'IMPULSO G RB9 9 1 2 1 6 è stato osservato dai 

satelliti Compton, Rossi-XTE e Chandra il 16 

dicembre 1999. Il rivelatore di raggi gamma 

BATSE, a bordo di Compton, ha evidenziato (o) 

un picco di debole intensità seguito da un 

segnale di una ventina di secondi, considerato 

finora come un «impulso lungo». I dati degli altri 

satelliti mostrano il decremento dell'emissione 

resìdua nella regione spettrale dei raggi X (e]. Il 

nostro modello [b] indica che il picco debole è in 

realtà il vero impulso gamma e che il segnale più 

lungo non è altro che il massimo dell'emissione 

residua; esso riproduce con grandissima 

precisione sia l'intensità assoluta dei segnali 

osservati, sia il loro comportamento nel tempo. 

Sulle curve del modello sono indicate le regioni 

osservate da BATSE, Rossi-XTE e Chandra. 

buchi neri elettromagnetici che sono mai 
avvenuti nell'universo. 

Dato che le equazioni del nostro mo- 
dello sono molto complesse, non abbia- 
mo potuto risolverle direttamente e ab- 
biamo dovuto ricorrere a qualche appros- 
simazione. Questo lavoro non sarebbe 
stato possibile senza il contributo di Jim 
Wilson, responsabile del programma di 
simulazione di bombe atomiche presso il 
Lawrence Lìvermore Laboratory, in Ca- 
lifornia, che studia la fisica delle esplosio- 
ni temi enuclea ri. Per parecchi mesi, ab- 
biamo calcolato con metodi diversi solu- 
zioni approssimate delle nostre equazioni, 
mentre Wilson, che le confrontava con le 
soluzioni esatte fornite dai suoi potenti 
calcolatori, ci segnalava quando andava- 
mo fuori strada. Cosi, al costo di parecchi 
viaggi di andata e ritomo, abbiamo potu- 
to beneficiare di tecniche di simulazione 
numerica assai adatte allo studio di esplo- 
sioni gigantesche, ma non certo di domi- 
nio pubblico. I risultati ottenuti descrivo- 
no in maniera molto precisa i segnali 
emessi dagli impulsi gamma. Permettono 
anche di comprendere la differenza fra 
impulsi lenti e veloci, nonché le principa- 
li caratteristiche dell'emissione residua. 
Per di più, come vedremo più avanti, il 
nostro modello spiega perché fosse im- 
possibile analizzare gli impulsi gamma 
con i metodi fenomenologici utilizzati in 
precedenza. 

Estrarre energia 
da un buco nero 

Quando una stella abbastanza massic- 
cia giunge al termine della sua vita, le re- 
gioni più interne collassano sotto il pro- 
prio stesso peso e danno origine a un bu- 
co nero. Gli strati esterni, viceversa, sono 
espulsi violentemente per effetto del col- 
lasso. Se la stella è dotata di un intenso 
campo elettromagnetico, le cariche elet- 
triche del plasma possono essere tempo- 
raneamente separate: il nucleo può reca- 




re, per esempio, un debole eccesso di cari- 
che positive, mentre gli strati esterni por- 
tano un corrispondente eccesso di cariche 
negative. Abbiamo dimostrato che a volte 
il collasso è così rapido che le correnti 
elettriche nel plasma stellare non hanno il 
tempo di ristabilire l'equilibrio delle cari- 
che prima che quelle associate al nucleo 
scompaiano dietro l'orizzonte del buco 
nero (cosa che richiede solo una trentina 
di secondi nel caso di una stella di 10 
masse solari). Cosi, il buco nero che si ge- 
nera è dotato di campo elettromagnetico. 

Per quanto piccola sia inizialmente, 
l'energia depositata sulla superfìcie dell'a- 
stro dallo squilibrio di cariche iniziale 
viene considerevolmente amplificata. Si 
può immaginare il campo elettrico come 
una serie di linee ancorate alla superfìcie 
della stella: la distanza fra di esse corri- 
sponde, punto per punto, all'intensità del 
campo. Via via che l'astro diventa più 
compatto, le lìnee di forza si avvicinano e 
una parte crescente dell'energia totale 
della stella (compresa la sua energia di 
massa) è trasferita al campo elettroma- 
gnetico che domina sulla sua superficie. 
Nel caso della formazione di un buco ne- 
ro, questa amplificazione è gigantesca 
perché il diametro della stella passa da al- 
cuni milioni di chilometri a poche centi- 
naia di metri. Riteniamo che, con questo 
meccanismo, il campo possa acquisire fi- 
no al 50 per cento dell'energia di massa 
iniziale della stella, vale a dire, in astri ab- 
bastanza massicci per tonnare buchi neri, 
circa IO 47 joule. 

Questa prima fase della catastrofe può 
essere descritta dalle equazioni della rela- 
tività generale. Viceversa, per compren- 
dere come l'energia elettromagnetica del 
buco nero venga violentemente liberata 
nello spazio, bisogna ricorrere alla mec- 
canica quantistica. Nel 1935 Werner Hei- 
senberg e Hans Euler (e più tardi Julian 
Schwinger) stabilirono che, al di là di un 
valore critico fondamentale, un campo 
elettrico deve provocare ciò che chiama- 



rono «polarizzazione del vuoto». Il princi- 
pio di indeterminazione di Heisenberg 
prevede che il vuoto sia in permanenza 
pieno di coppie di particelle e antiparti- 
celle che si annichilano a vicenda: il pro- 
cesso avviene tanto più velocemente 
quanto più grande è la loro energia. 

Nel vuoto ordinario queste particelle 
sono «virtuali» perché non hanno il tem- 
po di interagire in modo significativo con 
la materia. Tuttavia, in presenza di un 
campo elettromagnetico molto intenso, le 
coppie di elettroni [di carica negativa) e di 
antielettroni (o positroni, di carica positi- 
va) sono durevolmente separate dall'azio- 
ne del campo e non si annichilano. Da 
«virtuali» le particelle diventano reali. 
Questo fenomeno potrebbe essere stato 
osservato nel corso dì certe collisioni di 
ioni pesanti in acceleratori di particelle, 
ma deve ancora essere confermato. 

Nel caso di un buco nero elettroma- 
gnetico questo fenomeno deve prodursi 
durante il collasso, a condizione che il 
campo elettrico superi il valore critico di 
polarizzazione del vuoto. Nella regione in 
cui il campo è maggiore di questo valore, 
l'energìa elettromagnetica viene trasfor- 
mata in elettroni e positroni, che sì orga- 
nizzano in strati concentrici sovrapposti 
di particelle e di antiparticelle [si veda l'il- 
lustrazione a pagina 49). Ben presto que- 
sta struttura di plasma, che abbiamo bat- 
tezzato diadosfera, si arricchisce di fotoni 
gamma prodotti dalla mutua annichila- 
zione delle coppie di particelle e antiparti- 
celle e comincia a espandersi. In questo 
plasma esotico i fotoni interagiscono for- 
temente con le particelle cariche. Due fo- 
toni generano una coppia elettrone-posi- 
trone, la cui annichilazione produce due 
nuovi fotoni. I raggi gamma vengono 
diffusi più volte e si spostano con diffi- 
coltà attraverso la pila di strati di plasma, 
la quale risulta quindi opaca. Inoltre ab- 
biamo dimostrato, insieme con il gruppo 
del Livermore, che la diadosfera non vie- 
ne inghiottita dal buco nero; al contrario, 



GLI AUTORI 



REMO RUFFINI occupa la cattedra di 
fisica teorica dell'Università «La Sa- 
pienza» di Roma, la stessa che fu di 
Enrico Fermi. Presiede il Centro inter- 
nazionale di astrofìsica relativistica 
di Roma (ICRA). PASCAL CH ARDO NN ET 
è ricercatore presso il Laboratorio di 
fisica teorica (LAPTH-CNRS) di An- 
ne cy-le-VI eux e insegna presso l'Uni- 
versità della Savoia. SHE-SHENG XUE 
è ricercatore presso l'Università «La 
Sapienza». CARLO LUCIANO BIANCO e 
FEDERICO FRASCHETTI preparano la 
tesi sotto la direzione di Ruffini. 




I RESTI DELL'IMPULSO GRB9PQ228, rilevati da! satellite Compton, sono stati localizzati da Beppo- 
SAX 11 28 febbraio 199? [a sinistro]. Il 3 marzo l'intensità della sorgente si era assai ridotta (a 
destra]. Si è scoperto così che un impulso gamma eseguito per parecchi giorni da un'emissione 
residua di raggi X, che si indebolisce progressivamente. 



il plasma che la costituisce è sottoposto a 
un'espansione accelerata, e la sua velo- 
cità si modifica in modo tale che, per l'ef- 
fetto relativistico della contrazione delle 
lunghezze, il suo spessore rimane costan- 
te nel sistema di riferimento di un osser- 
vatore lontano. Questo «impulso elettro- 
magnetico a coppie» avanza a una velo- 
cità estremamente vicina a quella della 
luce e rimane opaco fino a che raggiunge 
un diametro dell'ordine di un decimo di 
anno luce. A questo punto, le particelle 
cariche e i fotoni interagiscono meno fre- 
quentemente, le coppie di particelle si an- 
nichilano e la radiazione è liberata im- 
provvisamente nello spazio. Questo breve 
impulso - della durata di una frazione di 
secondo - costituisce quello che chiamia- 
mo il vero impulso gamma. Prima della 
liberazione di quest'ultimo, l'impulso a 
coppie collide con gli strati esterni della 
stella costituiti da particelle pesanti (ba- 
rioni, principalmente protoni) e cede loro 
una parte della sua energia. Cosi, con 
l'impulso a coppie, si scatena una gigan- 
tesca ondata di particelle pesanti violen- 
temente accelerate. Quest'ultima finisce 
per incontrare gli atomi del mezzo inter- 



stellare circostante; l'onda d'urto provoca 
allora un'emissione residua più o meno 
lunga nelle regioni spettrali dei raggi 
gamma, dei raggi X e del visibile. 

Il successo del modello 

Questo modello spiega l'esistenza degli 
impulsi lenti e di quelli veloci. Se la quasi 
totalità della stella è stata inghiottita nel 
buco nero e gli strati esterni sono molto 
rarefatti, l'impulso a coppie cede una 
quantità trascurabile di energia alle parti- 
celle pesanti; il fenomeno non produce 
dunque particelle accelerate e sì osserverà 
solo, intenso e molto breve, il vero impul- 
so gamma. Al contrario, gli «impulsi lenti» 
corrispondono al caso in cui la quantità di 
materia che non è stata aspirata nel buco 
nero è cospicua: si osserva allora non il 
vero impulso gamma, ma il picco di emis- 
sione residua prodotto dall'incontro del 
mezzo interstellare con l'ondata di parti- 
celle accelerate (che contiene gran parte 
dell'energia dell'impulso a coppie). 

Abbiamo confrontato questi risultati 
con i dati raccolti da BATSE e dai satelliti 
per raggi X Rossi-XTE e Chandra ne! caso 



dell'impulso GRB991216, osservato il 16 
dicembre 1999 [si veda l'illustrazione in 
queste due pagine}. La principale compo- 
nente di questo evento è un impulso abba- 
stanza lungo, della durata di circa 20 se- 
condi. Questi dati corrispondono, nel no- 
stro modello, al caso di un buco nero elet- 
tromagnetico che abbia fornito alla diado- 
sfera un'energia di 6 x IO" 14 joule e la cui 
stella progenitrice abbia, in precedenza, 
lasciato quattro millesimi di massa solare 
nello spazio circostante. Per questo even- 
to, riteniamo che il vero impulso debba 
aver raggiunto i rivelatori circa 1 5 secondi 
prima dell'impulso lungo (che identifichia- 
mo con il picco dell'emissione rimanente). 

Abbiamo constatato che BATSE aveva 
effettivamente registrato un picco debole 
e molto breve in quel preciso istante. Le 
durate e le intensità delle due emissioni 
corrispondevano esattamente ai valori 
fomiti dal nostro modello. Per di più, ab- 
biamo calcolato la velocità di decremento 
dell'emissione residua nel corso della 
giornata successiva all'impulso, e il risul- 
tato è uguale al valore misurato con una 
precisione quasi di una parte su 1000. 
Questo risultato dimostra che gli impulsi 
gamma sono dovuti alla conversione in 
energia di una parte della massa di un bu- 
co nero. Tuttavia, a questo stadio, restano 
in sospeso due domande importanti. 

Come spiegare le rilevanti variazioni di 
intensità che si osservano nel picco dell'e- 
missione residua? Abbiamo supposto che 
l'ambiente interstellare attraversato dal- 
l'ondata di particelle accelerate abbia una 
densità non omogenea. Cosi, le improvvi- 
se variazioni di luminosità sarebbero l'im- 
magine degli addensamenti di gas inter- 
stellare situati sulla traiettoria delle parti- 
celle emesse dall'impulso. Si pone allora 
un primo problema: perché questo picco è 
influenzato dalle irregolarità del mezzo 
interstellare, mentre la coda dell'emissio- 
ne residua (come è stata osservata da 
Chandra, per esempio) evolve in modo 
molto regolare? Dovremmo supporre che 
il mezzo attraversato sia diventato im- 
provvisamente omogeneo? Ovviamente 
no. Alcuni mesi fa abbiamo dimostrato 
che i fotoni prodotti dalla collisione con il 
gas interstellare vengono diffusi più volte, 
e da questo fatto consegue che l'immagi- 
ne degli addensamenti scompare progres- 
sivamente, proprio come un panorama 
sparisce se viene interposto un vetro sme- 
rigliato. Questo risultato completa la no- 
stra descrizione dell'emissione residua. 

L'ammonimento di Einstein 

Resta la seconda questione. Le varia- 
zioni di densità del mezzo interstellare sì 
manifestano su distanze che la luce im- 
piega diversi giorni, o anche diversi mesi, 



5Q 



LESCIENZE 406/ giugno 2002 



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S± 



RAGGIO) LUCE 



POSIZIONE 
DELL'OSSERVATORE 



LE VELOCITA MAGGIORI DI QUELLA DELLA LUCE sono illusorie. Questo 
diagramma spazio-ternporale descrive il moto di un proiettile [in arancione] 
emesso da una sorgente nell'origine degli assi. Le unità di tempo e di spazio 
sono scelte in modo tale chei raggi di luce avanzino lungo linee inclinate di 
45 gradi. Si constata che il tempo [in rosso] impiegato dal proiettile per 
passare dal punto A al punto 8 è molto più lungo dell'intervallo [ingiallo} che 
separa l'arrivo delle immagini corrispondenti all'osservatore. Per questo 
motivo a volte si osservano velocità apparenti superiori a quella delta luce. 



BIBLIOGRAFIA 



RUFFINI Re OHANIAN H.,6ravitation and Spacetime, Norton Pub., 1994. 
RUFFINI R„SALM0NS0N J. D., WILSON J. R,eXUE$.-$.,OnthePair-£iec- 
twmagneticPuìsefroman£lectromagnetk Black HoleSurrounded by 
a Baryonic Remnani, in «Astronomy & Astrophysics», 359, p. 855, 
2000. 

RUFFINI R., BIANCO C. L, FRASCHETTI F., XUES.-S. e CHARDONNET P.,fe. 
lative Spacetime Transformations in Gamma- Rag flurefs, in «A- 
strophysical Journal Letters», 555, p. 10 ?, 2001. 



a percorrere. Sembra impossibile che 
l'ondata di particelle pesami responsabili 
dell'emissione residua possa attraversare 
una o più nubi di gas interstellare in me- 
no di 20 secondi... anche se si propagasse 
alla velocità più elevata possibile, ossia 
300.000 chilometri al secondo. Per di più, 
certi impulsi gamma sono seguiti da brevi 
emissioni di raggi X simili a quelle pro- 
dotte dalle supernove. Questa problemati- 
ca coincidenza (che è stata osservata pa- 
recchie volte) ci ha condotti a ipotizzare 
che la titanica onda d'urto dell'impulso 
destabilizzi talune stelle vicine e provochi 
la loro esplosione prematura. Tuttavia, 
per far questo, l'onda d'urto dovrebbe su- 
perare in poche ore i 4-5 anni luce che 
normalmente separano le stelle. L'onda 
d'urto degli impulsi percorrerebbe dun- 
que lo spazio più velocemente della luce? 
La risposta è negativa, e la spiegazione di 
questo paradosso è contenuta in un am- 
monimento rivolto agli astronomi dallo 
stesso Einstein, quando pubblicò la sua 
teoria della relatività ristretta. 

Una serie di avvenimenti astrofisici ap- 
pare a un osservatore sotto forma di una 
sequenza di immagini separate da inter- 
valli di tempo che differiscono dalle dura- 
te reali. Questo fenomeno è dovuto al fat- 
to che la luce che ci trasmette queste im- 
magini si propaga con velocità finita [si 
veda V illustrazione iti questa pagina). Cosi, 
quando si misura la velocità di un proiet- 
tile a partire dal suo spostamento appa- 
rente sulla volta celeste, può accadere che 
si ottenga una velocità superiore a quella 
della luce. Si è evidenziata questa «illusio- 
ne spazio-temporale» nel caso dei getti di 
materia emessi dai nuclei di certe galassie 
attive, che sembrano spostarsi una volta e 
mezzo più veloci della luce. Abbiamo di- 
mostrato che l'errore commesso nel caso 
degli impulsi gamma è ben più grande: se 
non si considerano con cautela le velocità 



apparenti, si è portati a calcolare velocità 
10.000 volte superiori a quella della luce. 
L'entità delle correzioni relativistiche 
dipende dalla velocità dei fenomeni fisici 
studiati in rapporto all'osservatore* è mi- 
surata dal cosiddetto fattore di Lorentz, 
che è pari a 1 nel caso in cui questa velo- 
cità sìa piccola, e tende all'infinito quan- 
do essa si avvicina alla velocità della luce. 
Il fattore di Lorentz è dell'ordine di 4-5 
per i getti di materia che sembrano muo- 
versi con velocità superìuminale, come 
quelli osservati da Felix Mirabel del CEA 
all'interno della nostra galassia. È supe- 
riore a 100 durante certe fasi della pro- 
gressione di un impulso gamma. Ciò spie- 
ga perché riceviamo in pochi minuti una 
sequenza di eventi che si è svolta, in 
realtà, in parecchi giorni, o addirittura 
anni. Si comprende così come l'immagine 
delle variazioni di densità del mezzo in- 
terstellare possa trovarsi compressa in un 
seguale di una ventina dì secondi. Inoltre 
questo risultato conferma la nostra ipote- 
si dell'induzione di esplosioni dì superno- 
va da parte dell'onda d'urto degli impulsi. 

Conseguenze filosofiche 

Infine, si può evidenziare un aspetto 
ancora più fondamentale. Quando studia- 
no lo svolgimento dì un fenomeno astro- 
fisico, gli scienziati sono soliti considera- 
re che la sequenza degli eventi sia quella 
che si manifesta ai loro strumenti. In ge- 
nerale, questa presupposizione è corretta, 
anche se l'esempio dei getti superlumina- 
li dimostra che, a rigore, bisogna distin- 
guere i tempi di arrivo dei segnali all'os- 
servatore e gli intervalli che sono trascor- 
si «realmente» nel sistema di riferimento 
in cui si studiano i fenomeni. Gli impulsi 
gamma costituiscono una classe di eventi 
in cui questo rigore è assolutamente indi- 
spensabile. D segnale che riceviamo con- 



centra in pochi minuti o poche ore la 
traccia di fenomeni fisici che si sono 
svolti su scale di tempo assai differenti, 
dalla prima frazione di secondo del col- 
lasso gravitazionale ai mesi e agli anni 
che lo hanno seguito. Inoltre il fattore di 
Lorentz varia considerevolmente durante 
il corso dell'impulso. Cosi, la sequenza 
degli eventi osservata dagli astronomi 
non ha alcun senso se non si tiene conto 
della storia del fenomeno nel suo insieme. 
Questa osservazione, inquietante dal pun- 
to dì vista filosofico, ha una conseguenza 
pratica importante: uno studio fenome- 
nologico che tentasse, per esempio, di 
analizzare l'affievol intento dell'emissione 
residua per determinarne il meccanismo 
senza tener conto degli avvenimenti pre- 
cedenti è destinato a Tal li re. 

Gli impulsi gamma ci mettono di fron- 
te a una fisica che si trova alla frontiera 
delle conoscenze. Non solo sono sorgenti 
dì energìa di natura radicalmente nuova, 
ma gli effetti relativistici che si osservano 
sono molto più intensi di quelli finora 
sperimentati. Gli impulsi gamma mostra- 
no gli effetti congiunti della relatività ge- 
nerale e della meccanica quantistica, due 
grandi teorie la cui unificazione è uno dei 
punti nodali della fisica contemporanea. 

Infine, quando l'impulso elettromagne- 
tico a coppie collide con gli strati esterni 
della stella progenitrice, i flussi di parti- 
celle in gioco devono essere IO 10 volte 
superiori a quelli che si ottengono negli 
acceleratori terrestri, e quindi i fenomeni 
fisici che si producono sono impossibili 
da osservare in altre situazioni. Nei mesi 
a venire, continueremo a verificare il no- 
stro modello, confrontandolo con gli im- 
pulsi gamma sui quali si possiedono 
molti dati. In questo modo, diventerà 
possibile raccogliere ogni giorno dati 
preziosi per l'astrofisica, ma anche perla 
fisica fondamentale. 



52 



LE SCIENZE 406 /giugno 2002 



Il miraggio dell' eterna giovinezza 



51 scienziati 
che studiano 
l'invecchiamento 
hanno redatto 
un documento 
per avvertire 
l'opinione pubblica: 
di nessun rimedio 
anti-età venduto 
sul mercato è stata 
finora dimostrata 
la minima efficacia 




I primi sforzi per combattere l'invecchiamento e per allungare la 
durata della vita umana risalgono almeno al 3500 a.C. e da allora 
non sono mai mancati sedicenti espeni che decantassero le virtù di 
questo o quell'elisir di lunga vita. È vero che la prospettiva dell'immorta- 
lità ha sempre esercitato un richiamo universale, spronando tanto Alessan- 
dro Magno quanto Ponce de Leon a mettersi alla ricerca della mitica fontana della giovinezza, e alimentando il desiderio degli 
alchimisti di giungere alla produzione dell'oro [un tempo ritenuto la più potente sostanza esistente contro l'invecchiamento]. 
Tuttavia, il mercato delle terapie anti-età ha assunto ultimamente dimensioni preoccupanti. Un numero sempre maggiore di annun- 
ci pubblicitari si rivolge a clienti un po' creduloni (e spesso anche disperati], di tutte le età, invitandoli a rivolgersi a cliniche della 
«longevità», e vantando una base scientifica per le proprie linee di prodotti, intanto, tntemet permette ai venditori di mirabolanti eli- 
sir di lunga vita di raggiungere sempre nuovi clienti con grande facilità. 



dì S.Jay Olshansky, Léonard Hayflicke Bruce A. Carnes 



Allarmati da queste tendenze, gli scienziati che studiano l'in- 
vecchi amento, tra cui noi, hanno elaborato una posizione uffi- 
ciale che contiene questo esplicito avvertimento: nessun tipo di 
intervento in commercio - neppure uno - si è finora rivelato in 
grado di rallentare, bloccare o invertire il processo di invecchia- 
mento umano, e alcuni di questi rimedi possono essere addirit- 
tura pericolosi. Mentre il pubblico viene bombardato da pro- 
messe di ogni tipo, i biologi sianno studiando attivamente le ba- 
si dell'invecchiamento, nella speranza che la loro ricerca possa 
suggerire vie per rallentarlo, e così allungare l'autosufficienza 
degli individui migliorandone la qualità della vita. Ma chiunque 
allo stato attuale pretenda di offrire prodotti che contrastino l'a- 
vanzare dell'età, o si sbaglia o mente. Il testo integrale della di- 
chiarazione, sottoscritta da 51 ricercatori di fama internaziona- 
le, può essere consultato sul sito web di «Scientifìc American» 
(www.sciam.com/explorations/051302aging.html). In questa se- 
de trattiamo invece l'argomento dal nostro punto di vista, par- 
lando solo per noi stessi. 

Che cos'è l'invecchiamento... e che cosa non è 



Una qualunque discussione sull'invecchiamento dovrebbe 
prendere le mosse da una chiarificazione dei termini. Sono state 
proposte varie definizioni dell'invecchiamento, ma noi pensia- 
mo a questo fenomeno come all'accumulazione di danni casua- 
li ai «mattoni» di cui è costituito l'orga- 
nismo - e in particolare al DNA, a certe 
proteìne, ai carboidrati e ai lìpidi - che 
ha inizio fin dalle prime fasi di vita e 
alla fine eccede le capacità di autoripa- 
razione dell'organismo stesso. Questo 
danneggiamento progressivo compro- 
mette il funzionamento delle cellule, 
dei tessuti, degli organi e dei sistemi di 
organi, facendo quindi aumentare la 
vulnerabilità alle malattie e dando luogo a manifestazioni carat- 
teristiche, come la perdita dì massa muscolare e ossea, l'allunga- 
mento dei tempi di reazione, la compromissione della vista e 
dell'udito e la perdita di elasticità della pelle. 

Questa accezione del danno molecolare deriva da una molte- 
plicità dì fattori, nei quali sono compresi processi essenziali per 
il sostentamento della vita, come quelli di conversione del cibo 
in energia disponibile. Svolgendo la propria funzione di genera- 
tori energetici cellulari, i mitocondri emettono incessantemente 
molecole ossidanti e quindi distruttive, i cosiddetti radicali libe- 
ri. La maggior parte del danno causato da queste molecole viene 
prontamente riparato, ma non tutto, I biologi sospettano che gli 
assalti ossidativi finiscano con ti causare un danno irreparabile 
ai mitocondri, compromettendo così la capacità della cellula di 
mantenere l'integrità delle innumerevoli molecole necessarie al 



mantenimento del corretto funzionamento dell'intero organi- 
smo. I radicali liberi sono anche in grado di danneggiare diretta- 
mente altre parti della cellula. 

L'invecchiamento ci rende cosi via via più esposti a condizio- 
ni come le malattie cardiovascolari, la malattia di Alzheimer e il 
cancro. Va comunque tenuto presente che tutte queste patologie 
si sovrimpongono all'invecchiamento, e non sono identificabili 
come manifestazioni dell'invecchiamento stesso. Pertanto, an- 
che se la scienza fosse in grado di eliminare oggi stesso le prin- 
cipali cause dirette di morte in età avanzata, l'invecchiamento 
continuerebbe a fare il suo corso, e altre malattie prenderebbero 
il posto dì quelle sconfìtte. Inoltre, sì tratterebbe solo dì attende- 
re che l'uno o l'altro componente cruciale dell'organismo - per 
dime uno, il sistema immunitario - finisca con il collassare in 
maniera catastrofica, È un'ineluttabile realtà biologica che, una 
volta che il motore della vita venga acceso, il corpo stesso inizi a 
seminare i semi della propria distruzione. 

Uomini e donne del mondo sviluppato oggi vivono normal- 
mente assai più a lungo (75 e 80 anni rispettivamente) rispetto 
all'aspettativa di vita nel corso della maggior parte della storia 
umana. Questo accade dal momento che l'ingegno dell'uomo - 
che ci ha portato servizi sanitari, vaccini, antibiotici e via discor- 
rendo - ha avuto un successo fenomenale nel contrastare le mi- 
nacce esterne [infezioni e parassitosi), maggiori responsabili del- 
le morti premature. Noi viviamo più a lungo non perché abbia- 



L'obiettivo della ricerca biomedica non è 
il mero prolungamento della vita 

bensì della vita in salute 



mo modificato il modo in cui invecchiamo, ma perché abbiamo 
modificato il nostro modo dì vita. 

Per quanto inevitabile, l'invecchiamento non è, come qualcu- 
no potrebbe pensare, un processo programmato geneticamente, 
che si svolge secondo un molino di marcia rigidamente prede- 
terminalo. 11 meccanismo stesso dell'evoluzione renderebbe im- 
possibile la persistenza di geni specificamente preposti a causa- 
re un declino fisiologico con l'avanzare dell'età o a controllare 
la durata della vita individuale. Come un'automobile non ha 
scritto nel proprio progetto un piano dì deterioramento, così noi 
non possediamo istruzioni genetiche che dicano ai nostri corpi 
come invecchiare o quando morire. 

La logica che regge questa asserzione funziona più o meno 
così: i geni perpetuano se stessi orchestrando la trasformazione 
di un uovo fecondato in un individuo adulto sessualmente ma- 



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LE SCIENZE 406 /giugno 2002 



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turo che a sua volta si riprodurrà. Evidente- 
mente, ogni mutazione genetica tale da 
compromettere questo processo di sviluppo 
sarebbe auto-eliminante. Al contrario, l'evo- 
luzione è totalmente cieca alle conseguenze 
dell'azione dei geni (sia essa buona, cattiva 
o indifferente) una volta che la riproduzione 
sia avvenuta. 1 geni o le mutazioni geneti- 
che che si rivelino svantaggiosi nella parte 
post -ri produttiva della vita possono perpe- 
tuarsi, ma solo se partecipano a processi im- 
portanti nelle prime fasi della vita. Per 
esempio, è noto come diversi geni che con- 
tribuiscono allo sviluppo del cancro in una 
fase avanzata della vita partecipino anche 
alla crescita e ai processi di sviluppo nelle 
prime fasi. 

Senza dubbio, una moltitudine dei nostri 
geni influenza l'invecchiamento. Tuttavia la 
loro azione in proposito è indiretta, quasi un 
non voluto sotto prodotto di processi coin- 
volti nella crescita, nello sviluppo e nel 
mantenimento della salute e del vigore fisi- 
co. La mancanza di uno specifico program- 
ma genetico per l'invecchiamento e la morte 
implica la non esistenza di problemi specifi- 
ci che si possa sperare di risolvere per curare 
l'invecchiamento come se fosse una malat- 
tia. Un singolo intervento genetico in un or- 
ganismo complesso qual è quello umano 
avrebbe ben poche possibilità di combattere 
la probabilmente vasta schiera di geni e pro- 
cessi biologici che svolgono ruoli sottili e 
impredicibili nella regolazione della nostra 
«data di scadenza». 

Falsi annunci 

A dispetto dì questa complessità, alcuni 
ricercatori ritengono di poter trovare modi 
per rallentare la velocità di invecchiamento 
dell'organismo umano. Se avranno succes- 
so, molte persone avranno la possibilità di 
vivere più a lungo rispetto alle proprie aspettative, e almeno al- 
cune potrebbero perfino superare il record di longevità registra- 
to in tempi moderni, che è di 122 anni. Ma lo scopo primario 
della ricerca bìomedìca e degli sforzi per rallentare l'invecchia- 
mento non sarebbe il mero prolungamento della vita, bensì il 
prolungamento della vita «in salute». Rallentare il tasso di invec- 
chiamento potrebbe posporre l'insorgere di malattie e infermità 
legate all'età, consentendo essenzialmente agli individui dì ri- 
manere giovani un po' più a lungo. 

Su quali basi noi asseriamo cosi perentoriamente che nessun 
intervento anti-età esìstente allo stato attuale dei fatti può esse- 
re ritenuto capace di conseguire obiettivi del genere? Per verifi- 
care se un intervento abbia effettivamente modificato un pro- 
cesso biologico, i ricercatori hanno bisogno dì «paletti» per mi- 
surare la progressione di quel processo. In questo caso specifico, 
nessun fenomeno singolo o aggregato di fenomeni relativi al- 
l'invecchiamento si è dimostrato essere un indicatore attendibi- 
le del tasso di invecchiamento negli esseri umani o in altre spe- 
cie. Senza paletti, non ci possono essere misurazioni, e in man- 
canza di queste non può sussistere evidentemente alcuna assi- 
curazione che l'intervento abbia avuto successo. 

Alcune persone desiderose di recuperare a ogni costo la bio- 
logia della propria giovinezza potrebbero ben riconoscere la 




scarsità di prove a sostegno dell'efficacia di questi interventi, e 
nondimeno decidere dì tentare comunque, pensando in fondo di 
avere poco da perdere. Queste persone dovrebbero pensare due 
volte a quello che fanno. Per esempio, la Food and Drug Admi- 
nistration statunitense non richiede che i prodotti venduti come 
integratori alimentari siano sottoposti agli stessi rigorosi test di 
sicurezza ed efficacia previsti per i farmaci. Dì conseguenza, per 
questi supplementi non si dispone dì alcuna garanzìa riguardo 
al grado dì purezza; non esistono linee guida riconosciute sui 
dosaggi e spesso neppure avvertenze riguardo agli effetti colla- 
terali che potrebbero manifestarsi assumendo quei prodotti in 
associazione con medicinali. 

Olì antiossidanti rappresentano una classe popolare di inte- 
gratori dai vantati effetti anti-invecchiamento. Queste sostanze 
chimiche si trovano naturalmente nell'organismo, nella frutta e 
nella verdura, e si ritiene che siano in grado di neutralizzare l'a- 
zione dei radicali liberi. In teoria, quindi, gli integratori antiossi- 
danti, se assunti in quantità sufficienti, dovrebbero secondo le 
aspettative saturare ì radicali liberi, bloccando così i processi re- 
sponsabili dell'invecchiamento cellulare. Ma l'eliminazione di 
tutti i radicali liberi ci ucciderebbe, dal momento che queste mo- 
lecole svolgono certi passi intermedi indispensabili per le reazio- 
ni biochimiche. Inoltre, per quanto gli studi epidemiologici ab- 



56 



LESCIENZE 406 /giugno 2002 



biano dimostrato che le vitamine E e C contenute nei cibi che 
assumiamo possano ridurre il rischio di cancro, di degenerazio- 
ne maculare e di altre patologie, nessuno finora è riuscito a di- 
mostrare che gli integratori contenenti antiossidanti limitino il 
danno ossidativo nell'organismo o influenzi no in qualche modo 
l'invecchiamento. 

Come gli antiossidanti, un altro intervento di moda contro 
l'invecchiamento, la terapia ormonale sostitutiva, ha un fondo 
di ragionevolezza. Questa strategia fu molto pubblicizzata all'i- 
nizio del XX secolo, e prevedeva che uomini in età avanzata si 
sottoponessero di tanto in tanto all'innesto dì testicoli di capro- 
ne o scimmia o ricevessero iniezioni di preparati a base di testì- 
coli macerati. Ai giorni nostri, possono essere somministrati or- 
moni in fonna pura. La strategia della terapia sostitutiva appare 
logica in linea di principio, dal momento che i livelli ematici 
della maggior parte degli ormoni - tra cui la melatonina, l'or- 
mone della crescita, il testosterone e il deidroepiandrosterone 
(DHEA) - normalmente diminuiscono con l'avanzare dell'età. 
Inoltre, esperimenti su soggetti in età avanzata hanno dimostra- 
to che alcuni attributi fisici e fisiologici soggetti a declino nel 
tempo, in particolare la massa muscolare e l'elasticità della pel- 
le, rispondono favorevolmente sul breve termine all'assunzione 
di ormone della crescita. 

D'altro canto, gli ormoni possono causare temibili effetti col- 
laterali. Nel topo, per esempio, la somministrazione di melatoni- 
na fa aumentare il rischio di sviluppo di tumori, e la sovrappro- 
duzione di ormone della crescita conduce a problemi renali, in- 
sufficienza cardiaca e polmonare premature e a un aumento 
della probabilità di morte precoce. Soggetti umani adulti trattati 
con ormone della crescita hanno sofferto di acromegalia (cresci- 
ta eccessiva delle ossa) e sindrome del tunnel carpale. Certamen- 
te la terapia sostitutiva degli estrogeni nelle donne in postmeno- 



Coloro che si affidano a metodi anti-età 
pensando di non aver nulla da perdere 

dovrebbero riflettere su ciò che fanno 



ratteristica dell'invecchiamento in una popolazione, e cioè un 
aumento esponenziale nel tempo del rischio di morire, una vol- 
ta superata la pubertà. Ciò significa che le manipolazioni in gra- 
do di aumentare la longevità non intervengono nel processo di 
invecchiamento. Non è escluso che ulteriori studi di quei geni 
possano offrire indizi riguardo alle influenze sulla longevità e ad 
approcci che possano rinviare la perdita di autosufficienza e al- 
tri disturbi legati all'età avanzata. 

Un'altra lìnea di ricerca potrebbe pure condurre a veri e pro- 
pri interventi sull'invecchiamento. I ricercatori sanno da decen- 
ni che la restrizione calorica allunga la vita e la durata della 
buona salute in tutte le specie in cui è stata studiata, almeno fin- 
tanto che la dieta contempli una nutrizione sufficiente per il 
mantenimento ordinario del corpo. Queste scoperte suggerisco- 
no che la restrizione calorica possa avere un effetto analogo ne- 
gli esseri umani. Ma, dato che poche persone sarebbero disposte 
a ridurre l'assunzione di cibo per allungare la propria esistenza, 
i biologi stanno cercando di scoprire i meccanismi sottesi ai be- 
nefici della restrizione calorica, e di trovare agenti che possano 
imitare quegli effetti senza costringere a vivere perennemente 
affamati. 

Un buon numero di scienziati guarda con speranza alle at- 
tuali tendenze della ricerca in proposito. Essi prefigurano il mo- 
mento in cui terapie basate sulla comprensione dell'invecchia- 
mento potranno finalmente aiutare a rallentarne la progressio- 
ne. Si pensa anche alla possibilità che le cellule staminali possa- 
no essere indotte a riparare e ringiovanire tessuti danneggiati, 
consentendo di rimanere sani e vigorosi più a lungo e senza 
continua assistenza medica. Non tutti gli esperti, però, condivi- 
dono queste visioni ottimistiche. Alcuni ritengono che la com- 
plessità del fenomeno dell'invecchiamento si opporrà inesora- 
bilmente, per sempre, allo sviluppo di terapie anti-età. 

In tutto questo, una cosa è certa: il 
numero delle persone anziane sta cre- 
scendo in tutto il mondo, e molti op- 
portunisti sono pronti ad approfittar- 
ne facendo prosperare il mercato dei 
prodotti anti-invecchiamento. I ricer- 
catori che hanno sottoscritto la di- 
chiarazione che appare sul sito web di 



pausa offre benefici comprovati; tuttavia, questa forma di tera- 
pia espone ad alcuni rischi, come quello di sviluppare cancro 
della mammella. In breve, la terapia ormonale sostitutiva ha un 
posto per quanto riguarda il trattamento di specifici disturbi as- 
sociati all'età, ma manca una qualunque prova che essa sia in 
grado di influenzare la velocità di invecchiamento. 

Alcuni potrebbero chiedersi se seguire fedelmente le comuni 
raccomandazioni salutistiche riguardanti la dieta e l'esercizio fi- 
sico possa aiutare a frenare l'invecchiamento. Certamente una 
buona alimentazione associata a un regolare esercizio fisico ri- 
duce il rischio di varie patologie e in generale contribuisce all'al- 
lungamento della vita. Ma come perle altre forme di intervento, 
nessuno ha finora dimostrato che la dieta, o l'esercizio, o le due 
cose insieme, influenzino direttamente l'invecchiamento. 

Che cosa dice la scienza 

Ci sembra paradossale che un'industria ciarlatana dell 'anti- 
invecchiamento stia proliferando proprio oggi, visti i grandi 
progressi nella comprensione dell'invecchiamento che la ricerca 
seria ha fatto negli anni recenti. I biologi che lavorano su lieviti, 
vermi, moscerini della frutta e topi sono riusciti a estenderne la 
vita manipolando i geni di quelle specie. Queste alterazioni ge- 
netiche però non toccano quella che si ritiene un'importante ca- 



«Scientific American» non concorda- 
no necessariamente con ogni singola 
parola che compare in quei documento, ma sanno di dovere ac- 
cantonare per un momento le differenze secondarie nei propri 
punti di vista purché cresca nel pubblico la consapevolezza del- 
la truffa che si sta perpetrando ai suoi danni. Il pubblico deve 
sapere che i prodotti venduti come rimedi anti-invecchiamento 
e le cosiddette cliniche della longevità non hanno alcuna effica- 
cia scientificamente provata, e in qualche caso potrebbero rive- 
larsi non innocui. Le ricerche sistematiche sul l'in vecchiamente) e 
le sue modificazioni stanno comunque procedendo, e un giorno 
o l'altro potrebbero condurre a metodi in grado di rallentare il 
nostro inevitabile declino e di estendere la nostra salute e longe- 
vità. L'alba di quel giorno, tuttavia, non si vede ancora. 



GLI AUTORI 



S. JAY OLSHANSKY, LÉONARD HAYFLICK e BRUCE A. CARNES stu- 
diano i invecchiamento da molti anni e si sono fatti promotori 
della bozza di dichiarazione sull'invecchiamento qui discussa. 
Olshansky è professore di sanità pubblica all'Università dell'll- 
linois a Chicago. Hayflick è professore di anatomia all'Univer- 
sità della California a San Francisco. Carnes è ricercatore pres- 
so il National Opinion Research Center/Center on Aging dell'U- 
niversità di Chicago, dove lavora anche Olshansky. 



www.iescienze.it 







LUCE 

ESTREMA 



Focalizzando in un punto delle dimensioni di un nucleo cellulare 

una radiazione con la potenza di 1000 grandi centrali elettriche 

si accelerano gli elettroni alla velocità della luce in un femtosecondo 



di Gerard A. Mourou e Donald Umstadter 



UN USER DA TAVOLO 
a potenza 

ultraelevata produce 
impulsi dieci votte 
al secondo, colpendo 
uno schermo posto 
dì fronte. 



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L^m idea dì rendere più intensa la radiazione luminosa è 
antica quanto la civiltà. Si narra che nel 212 a.C, a Sira- 
cusa, Archimede focalizzò i raggi del Sole con uno 
specchio gigante per incendiare le navi romane. Que- 
sta è forse una leggenda, ma è assodato che intorno al 
200 a.C. un altro greco, Diocle, inventò la prima ottica 
di fecalizzazione: uno specchio parabolico. Due millen- 
ni dopo, il connubio di specchi e meccanica quantistica ha dato vita alla 
più versatile delle sorgenti ad alta intensità: il laser. Tra il 1985 e il 1999, 
presso il Lawrence Livermore National Laboratory, è rimasto in funzione 
il laser ad alta potenza Nova. Paragonato per brillantezza a una stella 
che esplode, era uno dei più grandi mai costruiti. Dieci catene parallele di 
laser amplificatori si estendevano per circa 100 metri; specchi formati 
da blocchi di vetro da 27 chilogrammi dirigevano i fasci verso bersagli 
per la fusione nucleare e per altri esperimenti. Per evitare il surriscalda- 
mento, Nova era in funzione per poco tempo al giorno, e necessitava di 
molta energia per funzionare. Poiché la potenza è il tasso con cui viene 
prodotta energia, attualmente è possibile percorrere una via alternativa: 
rilasciarne una modesta quantità in un intervallo di tempo molto bre- 
ve. Gli impulsi tipici di Nova erano relativamente lunghi per gli attuali 



53 



standard dei laser ultra veloci - 3 nanosecondi - e ciascuno ri- 
chiedeva alcuni chilojoule di energia. Utilizzando impulsi 
10.000 volte più brevi, i laser di nuovo tipo possono liberare una 
potenza simile a quelli di Nova pur essendo alloggiati su un ta- 
volo da laboratorio. 

Un laser a potenza ultraelevata che libera solo un decimo di 
joule in un impulso che dura 100 femtosecondi (IO" 13 secondi) 
raggiunge i 10.000 miliardi dì watt (10° W, o 10 terawatt): una 
potenza confrontabile con quella prodotta da tutte le centrali 
elettriche del mondo messe assieme. I laser compatti possono 
produrre centinaia di impulsi al giorno e concentrare la loro 
potenza in un punto delle dimensioni dell'ordine di un micro- 
metro, producendo la più alta intensità di luce del pianeta. 

Associati a queste enormi densità di potenza, vi sono i più 
intensi campi elettrici mai prodotti, dell'ordine dei 1000 mi- 
liardi di volt al centimetro. Una simile luce laser che interagi- 
sce con la materia ricrea le condizioni fisiche estreme che si 
trovano solo nei nuclei delle stelle o in vicinanza di un buco 
nero: le più alte temperature (IO 10 kelvin), i più intensi campi 
magnetici (IO 9 gauss) e le maggiori accelerazioni di particelle 
(IO 25 volte la gravità terrestre). 

Con un costo di un milione di dollari (e non - come Nova - 
di molte centinaia di milioni di dollari), questi laser consentono 
di riportare la «big science» nei laboratori universitari e nei 
Paesi con budget di ricerca limitati. Negli ultimi anni, decine di 
questi sistemi sono stati costruiti in tutto il mondo per appli- 
carli alla ricerca in svariati campi della fisica, incluse la fisica 
nucleare, l'astrofìsica, la fìsica delle alte energie e la relatività 
generale. Questa nuova generazione di laser ha già aperto la 
strada a molte applicazioni, come acceleratori di particelle ul- 
tracompatti e radiografie mediche di precisione. Inoltre, il suo 
uso appare molto promettente anche nel campo della radiote- 
rapia e della generazione di energia per la fusione nucleare. 



IN SINTESI 



Il trucco 

Nei cinque anni successivi all'inven- 
zione del laser ( 1 960), i laser compatti si 
sono sviluppati con una serie di balzi 
tecnologici fino a raggiungere la poten- 
za di un gigawatt (IO 9 W). Per altri 20 
anni, alcuni ostacoli hanno impedito di 
incrementarne ulteriormente la potenza 
massima. L'unico modo per riuscirci era 
costruire laser sempre più grandi: opera- 
re oltre il limite d'intensità avrebbe crea- 
to effetti non lineari indesiderati nei 
componenti laser, peggiorando la qualità 
del fascio e danneggiando ì componenti. 
Soltanto nel 1985 è stato superato il pro- 
blema del danno ottico, grazie all'intro- 
duzione dì una tecnica nota come CPA (chirped pulse amplifi- 
cation) dal gruppo di ricerca guidato da uno di noi (Mourou). 
Le potenze dei laser compatti allora aumentarono di un fattore 
tra IO 3 e IO 5 . 

Nel processo di chìrping, un segnale o un'onda vengono 
«stirati» nel tempo. Nella tecnica CPA il primo passo è produr- 
re un breve impulso con un oscillatore e stirarlo, usualmente 
da IO 3 a IO 5 volte (sì veda la finestra nella pagina a fronte]. 
Questa operazione diminuisce l'intensità dell'impulso della 
stessa quantità. A questo impulso possono però essere applica- 
te le tecniche standard di amplificazione. Infine, un dispositivo 
costituito da una coppia di reticoli di diffrazione posti nel vuo- 
to ricomprime l'impulso alla sua durata originaria, aumentan- 
do la sua potenza di IO 3 - IO 5 volte. 

Solitamente si comincia con un impulso dì 100 femtosecon- 



di e un nanojoule di energia. Questo viene stirato di un fattore 
di IO" 1 fino a un nanosecondo (riducendo la sua potenza da 
circa 10 chilowatt a un watt) e poi amplificato di 1 1 ordini di 
grandezza fino alOO joule e 100 gigawatt. Ricomprimendo 
l'impulso a 100 femtosecondi si aumenta la sua potenza fino a 
un petawatt (un milione di gigawatt). Se non si ricorresse a 
questa tecnica, un amplificatore verrebbe inesorabilmente di- 
strutto da un impulso originario da 10 chilowatt, a meno di 
non aumentare di 10 volte l'area della sezione d'urto e disper- 
dere il fascio. 

Perfezionare la tecnica CPA non è stato facile come sembra- 
va. 1 tipici dispositivi usati per stirare o comprimere gli impul- 
si generalmente non lo fanno in modo esattamente lineare, e il 
risultato viene rovinato se le caratteristiche del chirper e del 
compressore non sono ottenibili con facilità. Un ulteriore in- 
cremento nell'intensità dì luce è avvenuto negli anni passati 
grazie allo sviluppo dell'ottica correttiva, che permette di foca- 
lizzare i fasci laser su aree di dimensioni molto inferiori a 
quelle raggiungibili in precedenza. Questo progresso e i suc- 
cessivi miglioramenti nelle tecniche di compressione dell'im- 
pulso hanno dato come risultato la massima intensità possibi- 
le per una data energia della luce. 

Questi incrementi in potenza e intensità degli anni novanta 
hanno aperto la strada all'ottica relativistica, un nuovo ambito 
dì studio delle interazioni tra luce e materia in cui la radiazio- 
ne accelera gli elettroni a velocità prossime a quella della luce. 
Prima della CPA, questo regime poteva essere raggiunto sola- 
mente con sistemi laser molto grandi e costosi. 

L'ottica relativistica 

Anche se molti lettori potrebbero non riconoscere questa 
definizione, si può dire che l'ottica è lo studio di come gli elet- 
troni rispondono alla luce. Tutte le proprietà ottiche di un ma- 
teriale, infatti, sono una conseguenza del modo in cui la luce 
interagisce con gli elettroni del materiale. La luce è un'onda di 



Un metodo di amplificazione Inventato nella metà degli anni ottanta ha permesso 
di realizzare una nuova generazione di laser compatti in grado di produrre impulsi 
molto brevi di luce estremamente intensa. 

La luce ditale intensità interagisce con la materia in modo nuovo, spingendo 
direttamente gli elettroni a velocità prossime a quella della luce In pochi femtosecondi. 
I laser possono accelerare particelle a 10.000 volte 11 tasso degli acceleratori 
standard. 

■ Le applicazioni potenziali includono l'imagìng medico, radioterapia di precisione, 
fusione nucleare, e la ricerca in numerosi campi della fisica. 



campo elettrico e di campo magnetico che oscillano in sincro- 
nia a frequenze molto alte. I campi elettrico e magnetico oscil- 
lano perpendicolarmente l'uno rispetto all'altro ed entrambi ri- 
spetto alla direzione di propagazione (si veda la finestra a pa- 
gina 63). Quando un elettrone incontra un'onda luminosa di 
potenza ordinaria, il campo elettrico dell'onda esercita una 
forza sull'elettrone facendolo oscillare. L'elettrone oscilla pa- 
rallelamente aJ campo elettrico e con la stessa frequenza, ma 
non necessariamente in fase. 

In dipendenza da come l'elettrone è legato agli atomi del 
materiale, le sue oscillazioni possono seguire o precedere quel- 
le dell'onda di luce. Le ampiezze e le fasi di queste oscillazioni 
elettroniche determinano a loro volta il modo in cui l'onda lu- 
minosa si propaga attraverso il materiale e perciò conferiscono 
al materiale le sue proprietà ottiche. Nell'ottica classica le am- 



piezze sono talmente piccole che le velocità dì oscillazione de- 
gli elettroni rimangono sempre molto inferiori alla velocità 
della luce. 

Con l'avvento delle intensità laser oltre i IO 18 watt per cen- 
timetro quadrato, tuttavia, l'oscillazione degli elettroni si avvi- 
cina alla velocità della luce, e gli effetti relativistici che si ma- 
nifestano cambiano in maniera radicale la risposta degli elet- 
troni alla radiazione. Per prima cosa un'alta velocità aumenta 
la massa dell'elettrone: ciò influisce sull'ampiezza e sulla fase 
delle sue oscillazioni. Inoltre, entra in gioco anche il campo 
magnetico dell'onda. 

Una forza magnetica agisce su una carica elettrica solo se 
quest'ultima è in moto, come nel caso di un elettrone che flui- 
sce in un cavo come parte di una corrente elettrica. Detto più 
precisamente, la forza magnetica è proporzionale alla velocità 
trasversale dell'elettrone divisa per e, la velocità della luce nel 
vuoto. Di conseguenza, questa forza è trascurabile per velocità 
molto inferiori rispetto a e, come nel regime dell'ottica classi- 
ca, ma diventa uguale alla forza del campo elettrico quando la 
velocità si approssima a e. La forza magnetica spinge gli elet- 
troni nella direzione del fascio di luce, un effetto che gioca un 
ruolo centrale nell'ottica relativistica. 

L'interazione della luce con i nuclei atomici può usualmen- 
te essere ignorata, poiché i protoni sono quasi 2000 volte più 
massicci degli elettroni e perciò oscillano molto meno. Ma in 
corrispondenza di intensità abbastanza alte, la luce comincia a 
muovere anche i protoni a velocità relativistiche. Questo regi- 
me può essere chiamato di ottica nucleare, a causa della gran- 
de varietà dei processi nucleari che possono verificarsi, tra cui 
la fusione. 

«Da a 60 (MeV) in un millimetro» 

L'applicazione più ovvia della forza relativistica dì un fascio 
laser ultra intenso è l'accelerazione di particelle. Gli accelerato- 
ri hanno molte applicazioni; dai tubi catodici dei televisori al- 
la terapia dei tumori, fino allo studio delle forze fondamentali 




Maser ultraintensi 

da tavolo stanno riportando 

la «big science» 

nei laboratori 

delle università 



dell'universo. In tutti i casi le particelle, come i protoni e gli 
elettroni, sono accelerate da campi elettrici o magnetici. 

Sebbene le onde di luce nel regime di ottica classica possa- 
no avere campi elettrici intensi quanto quelli nelle vicinanze di 
un lampo, questi campì non sono adatti per particelle che ac- 
celerano così come sono, poiché oscillano trasversalmente. Al 
contrario, quando un impulso di luce ultraintenso colpisce un 
plasma (un gas di elettroni e ioni positivi), spinge gli elettroni 
in avanti, a velocità prossime a quelle della luce, come descrit- 
to in precedenza. 

In più, avvengono altri fenomeni interessanti. Gli ioni posi- 
tivi del plasma, essendo migliaia di volte più pesanti degli elet- 
troni, rimangono indietro. Questa separazione di cariche posi- 
tive e negative produce un campo elettrico intenso, che può a 
sua volta essere sfruttato per accelerare altre particelle. 

La regione di campo elettrico intenso viaggia come un'onda 
attraverso il plasma, procedendo nella scia dell'impulso di lu- 
ce. Particelle cariche sono accelerate ad alte energie in campi 
di scie laser così come i delfini guadagnano energia nuotando 
in fase con le onde dell'acqua nella scìa di una nave. Questo ti- 
po di acceleratori a campo laser debole è stato proposto nel 
1979 da Toshiki Tajima e John M. Dawson, entrambi dell'Uni- 
versità della California a Los Angeles. 

Il processo di conversione del campo elettrico oscillante del- 
l'impulso di luce in un campo debole che punta sempre in una 
direzione è chiamato rettificazione, per analogìa con il proces- 






CPA: come stirare un'onda luminosa 



ILCUORE DEI LASER 
compatti ultraintensi 
è una tecnica chiamata 
CPA. Un corto impulso 
laser è stirato 
dì un Fattore 10", 
per esempio, 
da una coppia di reticoli 
dì diffrazione. 
L'impulso allungato 
ha una bassa intensità, 
permettendo 
di essere amplificato 
da un dispositivo 
standard. Una seconda 
coppia di retìcoli 
ricomprìme l'impulso, 
riportando l'intensità 
a un valore IO 4 volte 
più alto del valore 
di picco che 
l'amplificatore avrebbe 
potuto sostenere. 



Coppia di reticoli 

che stira l'impulsa 



Impulso corto 




Impulso stirato 
amplificato 



Impulso stirato 



•— 




Coppia di reticoli 

che comprime l'impulso 



Impulso corto 
amplificato 



eo 



LESCIENZE 406 /giugno 2002 



www.lescienze.it 



Si 



so utilizzato in elettronica per convertire corrente alternata in 
corrente continua. 

Gli acceleratori convenzionali - come quello lungo 3 chilo- 
metri dello Stanford Linear Accelerator Center (SLACJ - sfrut- 
tano cavità metalliche per rettificare onde a radiofrequenze e 
spingere ripetutamente le particelle cariche lungo la linea del 
fascio. (Le onde radio sono onde elettromagnetiche proprio co- 
me la luce, ma hanno frequenze molto più basse e lunghezze 
d'onda più ampie.) 

Poiché il campo di ogni cavità è limitato, per raggiungere le 
energie necessarie agli esperimenti l'acceleratore di Stanford è 
lungo 3 chilometri. Il campo potrebbe essere incrementato 
usando onde radio di lunghezze d'onda più brevi e maggiore 
intensità, ma queste due proprietà sono limitate dalla cavità. 
Le dimensioni di quest'ultima limitano le lunghezze d'onda, 
mentre le alte intensità causano problemi elettronici (scintille) 
in corrispondenza delle pareti metalliche. 

Eliminando la cavità, gli acceleratori a campo debole evita- 
no entrambi questi inconvenienti. Con impulsi di maggiore in- 
tensità, le particelle possono essere accelerate direttamente, 
nello stesso modo con cui gli elettroni relativistici sono gene- 





1 piccoli laser a potenza 




ultraelevata potrebbero 




funzionare 




come candele 




di accensione 




per avviare fusioni 


1^^ J 


termonucleari 




nelle centrali elettriche 



rati dal fascio, permettendo di fare a meno del plasma. Negli 
anni passati, acceleratori di protoni e di elettroni ad eccitazio- 
ne laser hanno prodotto fasci con energie superiori ai 50 mi- 
lioni di elettronvolt (MeV) confrontabili con un singolo stadio 
di pochi metri di lunghezza di un acceleratore convenzionale. 

Il sistema laser riesce a raggiungere la stessa energia in un 
millimetro. In linea di principio, le energie delle particelle oltre 
il petaelettronvolt (PeV, o 10'^ eV) potrebbero essere raggiun- 
te in un acceleratore di un metro usando intensità laser di IO 23 
watt per centimetro quadrato: sarebbe sufficiente trovare un 
modo per sfruttare gradienti di accelerazione cosi alti per tutto 
il metro, invece che soltanto per un millimetro, come avviene 
attualmente. 

Ma anche non riuscendo a ottenere energie più alte, l'acce- 
lerazione intensa con alti gradienti presenta diversi vantaggi. 
Uno di noi (Umstadter) è riuscito a produrre, per esempio, fasci 
di elettroni di pochi milioni di elettronvolt la cui luminosità 
(ossia il numero di particelle per unità di sezione d'urto al se- 
condo) supera quella degli acceleratori convenzionali, e ciò 
primariamente perché le cariche riunite in un impulso del fa- 
scio hanno meno tempo di disperdersi per le loro stesse forze 
elettromagnetiche. Un altro vantaggio, tutt'altro che trascura- 
bile, è dato dal fatto che gli acceleratori laser a basso costo so- 
no adatti a molte delle applicazioni orinai consolidate degli 
acceleratori convenzionali, come produrre radioisotopi a breve 
emivita a fini di diagnostica medica o generare fasci di neutro- 
ni e positroni per lo studio dei materiali. 



I sistemi laser, tuttavia, creano fasci che hanno uno spettro 
dì energie relativamente ampio, il che non è desiderabile per 
alcune applicazioni. Così, i sistemi convenzionali utilizzano 
abitualmente numerosi stadi dì accelerazione, come nello 
SLAC da 3 chilometri e nell'anello principale (che ha 7 chilo- 
metri di circonferenza) del Tevatron al Fermilab. L'attuale ri- 
cerca sui sistemi di acceleratori laser è concentrata sulla ridu- 
zione della dispersione dell'energia del fascio. Si sta anche 
esplorando il possibile ricorso a guide d'onda per incrementa- 
re la distanza sulla quale il campo debole mantiene accelerate 
le particelle. 

La frontiera dell'alta energia 

Non ci si aspetta che gli acceleratori laser possano soppian- 
tare gli acceleratori convenzionali negli impianti per la fisica 
delle particelle delle alte energie come il Tevatron. Piuttosto, 
essi migliorano e aumentano gli attuali sistemi e hanno carat- 
teristiche che li rendono utili per specifiche applicazioni e 
nuovi tipi di esperimenti. Una simile nicchia potrebbe essere 
l'accelerazione di particelle instabili, 

II Tevatron rappresenta l'attuale frontiera per le alte energie; 
in esso i protoni collidono con energie dì un TeV, Anche il suo 
successore, il Large Hadron Collider, usa protoni. Queste colli- 
sioni sono molto complicate e confuse poiché i protoni sono 
agglomerati di particelle fortemente interagenti: i quark e i 
gluoni. Elettroni e positroni hanno una struttura più elementa- 
re e di conseguenza producono collisioni più «pulite» che per- 
mettono studi più dettagliati. Ma la loro accelerazione com- 
porta due problemi: a mano a mano che viaggiano lungo le 
traiettorie curve di un acceleratore circolare, elettroni e posi- 
troni perdono troppa energia per radiazione di sincrotrone. 
Una soluzione sarebbe di accelerare muoni, che sono 200 vol- 
te più massicci degli elettroni e perciò risentono di perdite di 
sincrotrone un miliardo di volte inferiori. Sfortunatamente, i 
muoni sono instabili e decadono, in media, nell'arco di soli 
due microsecondi. Laser ad alta intensità potrebbero essere im- 
piegati per accelerare muoni a una velocità molto prossima a 
quella della luce in una frazione di questo fuggevole tempo di 
vita. In tal modo si potrebbe anche sfruttare la dilatazione re- 
lativistica dei tempi, che, estendendo la vita media del muone 
proporzionalmente all'energìa raggiunta, rende disponibile un 
intervallo di tempo più ampio. 11 beneficio legato a una cosi 
pronta accelerazione laser sarebbe ancora maggiore nel caso 
dì particelle come ì pioni, che decadono in media in soli 26 
nanosecondi. 

Un altro nuovo tipo di fisica delle particelle permesso dai 
laser ultrapotenti è quello del collisore gamma-gamma. La ra- 
diazione gamma ha frequenza molto alta, oltre lo spettro dei 
raggi X. Un fascio laser molto potente che collide con un fa- 
scio di elettroni energetici produce un fascio molto sottile di 
raggi gamma. In pratica si tratta di una diffusione Compton, 
un processo in cui ì fotoni laser fanno rimbalzare via gli elet- 
troni. L'energia dei raggi gamma dipende, per larga parte, dal- 
l'energìa del fascio di elettroni: un fascio di elettroni da 250 
gigaelettronvolt (GeV) spinge i fotoni da circa 1 eV (luce visi- 
bile) a circa 200 GeV. 

Quando due di questi fasci di raggi gamma collidono, le in- 
terazioni risultanti sono ancora più pulite delle collisioni elet- 
trone-positrone o muone-antimuone. Siamo di fronte, per co- 
sì dire, al processo inverso dell'annichilazione materia-anti- 
materia: una coppia particella-antiparticella è generata da un 
urto tra fotoni. Solamente con laser ultra intensi, tuttavia, sono 
disponibili in ciascun impulso abbastanza fotoni per produrre 
un numero significativo di collisioni gamma-gamma. Nel 
1997 i ricercatori dello SLAC hanno realizzato una variante di 



questo sistema e prodotto coppie elettrone-positrone facendo 
collidere raggi gamma e fotoni laser. Attualmente, ogni colli- 
sore di particelle lineare ha in programma esperimenti gam- 
ma-gamma, che completano la ricerca possibile con le usuali 
collisioni elettrone-positrone. 

Diagnosticare e curare il cancro 

Generando radiazione molto penetrante come i fasci di par- 
ticelle o i raggi X, gli acceleratori possono essere usati anche 
per la diagnosi e la terapia dei tumori. Per un secolo, i raggi X 
sono stati una pietra miliare della diagnostica. I tubi a raggi X 
convenzionali accelerano elettroni in un campo elettrico pre- 
sente tra catodo e anodo. Quando colpiscono l'anodo, gli elet- 
troni sono decelerati violentemente, ed emettono radiazione X, 
La risoluzione è limitata dalle dimensioni della sorgente di ra- 
diazione, in questo caso l'anodo, che ha generalmente uno 
spessore di circa 100 micrometri. D più piccolo tumore rivela- 
bile con questo sistema è dì circa un millimetro dì diametro. 

Se focalizzato su un bersaglio metallico appropriato, un laser 
ultraintenso può produrre raggi X in modo semplice. Gli elet- 
troni accelerati dal fàscio arrivano con una energìa molto alta 



alla superficie del metallo. Attraversandone lo spessore, gli elet- 
troni vengono decelerati ed emettono una grande quantità di 
raggi X. Se il laser è focalizzato su un punto delle dimensioni di 
pochi micrometri si produce una sorgente di raggi X molto 
concentrata, che permette la rivelazione di ammassi di cellule 
cancerose molto piccoli. Ciò consentirebbe di iniziare un tratta- 
mento del tumore in un più precoce stadio di sviluppo. 

In linea dì principio, è possìbile ottenere una risoluzione di 
un micrometro, poco superiore a quella della lunghezza d'on- 
da del laser di eccitazione. Un gruppo di ricerca della Stanford 
University, dell'Università di Lund in Svezia e del National In- 
stìtute of Scientific Research del Quebec ha già prodotto siste- 
mi a raggi X di questo tipo. La precisione è dì grande impor- 
tanza per la radioterapia: consente di massimizzare la dose ri- 
lasciata al tumore minimizzando al contempo il danno per i 
tessuti sani circostanti. Nel caso di tumori in aree critiche, co- 
me il cervello o il midollo spinale, la capacità di depositare l'e- 
nergia su aree piccole e ben definite è un fattore cruciale per il 
buon esito dell'intervento. Particelle come protoni e ioni car- 
bonio sono particolarmente adatte a questo scopo. 

A differenza dì elettroni e di fotoni, particelle così pesanti 
subiscono diffusioni laterali limitate, e sì mantengono in un 






Interazioni luce-materia 



OTTICA RELATIVISTICA 

Perla luce di intensità ordinaria [a), il campo 
elettrico della luce [onde rosse] fa oscillare 
gli elettroni a velocità relativamente basse. 
A intensità molto alte [fa], gli elettroni oscillano 
quasi alla velocità della luce e il campo 
magnetico della luce [onde blu] li fa avanzare 
con un momento molto alto. 




Campo Campo 

elettrico magnetico 



ACCELERAZIONE 

DI CAMPO DI SCIA 

La luce ad alta intensità che investe un plasma 
(sotto) spinge gli elettroni a velocità molto alte, 
lasciando indietro gli ioni (in verde] più pesanti. 
Si produce così un potente campo elettrico 
[lìnee rosse] tra queste cariche separate. 
Questa separazione e il campo elettrico 
associato viaggiano lungo la scia detta luce 
e possono accelerare altre particelle cariche 
a energia molto alta. 





Un impulso laser a intensità ultraelevata [in blu] focalizzato su un getto di gas 
elio per mezzo di uno specchio parabolico accelera elettroni del gas a GO MeV 
in un millimetro. Uno schermo fluorescente [in alto a sinistro) rivela il fascio 
di elettroni ad atta energia. 



6Z 



LE SCIENZE 406/ giugno 2002 



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63 



fascio molto ben definito. La loro perdita di energia è minima 
lungo il cammino e avviene per la maggior parte nel tratto fi- 
nale del loro percorso. Ciò avviene, per una specifica energia 
iniziale, in uno spessore dì tessuto molto ben definito. Di con- 
seguenza, nel caso di tumori profondi questi ioni pesanti con- 
sentono di colpire il bersaglio con una accuratezza maggiore 
rispetto a elettroni e fotoni. 

In diversi paesi sono in corso sperimentazioni cliniche che 
utilizzano fasci di protoni e di ioni carbonio, ma l'elevato co- 
sto degli acceleratori di particelle convenzionali rappresenta 
un ostacolo non indifferente all'uso su larga scala di terapie 
basate sulle particelle. Lo Heavy Ion Medicai Accelerator di 
Chiba, in Giappone, è costato quasi 300 milioni di dollari e 
può trattare all'incìrca 200 pazienti all'anno, una piccola fra- 
zione dei casi che potrebbero beneficiare di questa forma di te- 
rapia del cancro. 

Attualmente, le energie ioniche degli acceleratori a eccita- 
zione laser sono troppo basse di un fattore 5, e hanno una di- 
spersione di energia eccessiva per un loro impiego medico. Ma 
se questi due problemi verranno superati, questo tipo di radio- 
terapia sarà realizzabile a costì molto inferiori, e quindi diverrà 
disponibile per molti più pazienti. 

L'impulso di un laser ultraintenso possiede una potenza pa- 
ragonabile a quella erogata da tutti i generatori di energia del 
mondo. In futuro si potrà anche andare oltre, e contribuire al 
fabbisogno mondiale di energia, sfruttando questi laser come 
componente essenziale degli impianti di potenza a fusione nu- 
cleare. Per decenni si è tentato di realizzare la fusione nuclea- 
re controllata al fine di generare energia, ma lo sforzo non ha 
dato i frutti sperati. Un metodo che in anni recenti si è guada- 
gnato i favori di molti è la fusione a confinamento inerziale: 
capsule di combustibile (miscele di deuterio e trizio, gli isotopi 
pesanti dell'idrogeno) vengono colpite simultaneamente da 
tutti i lati da decine o da centinaia di impulsi laser intensi. I la- 
ser comprimono e riscaldano le capsule a densità e temperatu- 
re estreme, in corrispondenza delle quali i nuclei di deuterio e 
trizio si fondono per formare elio, rilasciando una grande 
quantità di energia. Il grande laser Nova presso il Livermore è 
stato uno degli esperimenti principali in questa direzione. 

I laser compatti ultra intensi non possono fornire l'energia 
totale necessaria per la fusione termonucleare; in cooperazio- 
ne con quelli delle dimensioni di Nova, tuttavia, possono avvi- 
cinarci di molto al punto dì fattibilità economica e tecnica. 
Raggiungere le condizioni di innesco della fusione per com- 
pressione delle capsule richiede un processo di implosione 
straordinariamente simmetrico. Anche imperfezioni minime, 
infatti, possono far fallire il processo. Nella nuova tecnica pro- 
posta dai ricercatori del Livermore, i grandi laser fanno ancora 
il duro lavoro di compressione del combustibile ad alta densità 
ma non devono raggiungere la completa accensione. In pros- 
simità della condizione di massima densità, un impulso ultra- 
corto di ioni accelerati da un laser CPA compatto colpisce la 
capsula che implode, giocando il ruolo di una candela di ac- 
censione in un motore a scoppio: l'impulso crea un punto in- 
candescente, generando un'onda di fusione che brucia per tut- 
to il resto della capsula. Questa tecnica ridurrebbe la necessità 
di fusione per sola implosione e incrementerebbe significativa- 
mente il rapporto energia prodotta/energia utilizzata. 

Alcuni componenti fondamentali della tecnica di accensio- 
ne veloce sono stati realizzati recentemente dai ricercatori del 
Rutherford Appleton Laboratory, nello Oxfordshire (Regno 
Unito), e dell'Università di Osaka, in Giappone. Ma come spes- 
so succede nella ricerca sulla fusione, occorrono ancora parec- 
chi passi per dimostrare che il metodo è economicamente con- 
veniente. Comunque vada, la luce ultraintensa ha un futuro 
garantito. Oltre ogni sogno di Archimede e Diocle. 




LA RADIOGRAFIA DI UN RATTO mostra la risoluzione che può essere 

raggiunta utilizzando raggi X generali da un minuscolo punto 
di un plasma nel Fuoco di un laser compatto ultraintenso. 



GLI AUTORI 



GERARD A. MOUROU e DONALD UMSTADTER sono stati tra i 
fondatori del Center for Ultrafast Optical Science del l'Univer- 
sità del Michigan ad Ann Arbor Mcurou, che è attualmente 
direttore del Centro, insegna ingegneria elettronica all'Uni- 
versità del Michigan. Umstadterè professore associalo di 
ingegneria nucleare ed elettronica presso quella stessa 
Università. 



BIBLIOGRAFIA 



UMSTADTER D., Jerawatt Lasers Produce Faster Electron Acce- 
teration, in «Laser Focus World», pp. 101-1D4, febbraio 1996. 
MDUROU G.A., BARTY C.P.J. e PERRY M.D., UltrahigMntensity La- 
sers: Physics of the Extreme on a Tabletop, in «Phy sics To- 
day», 51, n. 1, pp. 22-28, gennaio 1998. 
UMSTADTER □,, Review of Physics and Applications offtelativi- 
sticPIasmas Drìven by Ultra-intense Lasers, in «Physics of Pla- 
smas», 8, n. 5, pp. 17 74-1? 85, maggio 2 ODI. 
High Field Science Research presso l'University of Michigan 
Center for Utrafast Optical Science: www.eecs.u mi ch.edu ./USL- 
HFS/ 



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LESCIENZE 406 /giugno 2002 




Dilaga, tra i giovani, il ricorso a derivati amfetaminici a scopo 

voluttuario, ma il loro uso espone a gravi danni immediati 

e, probabilmente, ad ancora più pericolosi rischi a lungo termine 



di Giorgio Luigi Bronzetti 

66 



e compresse comunemente reperìbili sul mercato clandestino a cui generalmente ci si riferisce come a «ecstasy» conten- 
gono differenti principi attivi. Quelli presenti in maggior percentuale sono la MDMA [3,4-meti!endiossi meta mfeta mina), che 
è l'ecstasy propriamente detto e che nel gergo di strada prende anche il nome di XTC e Adam, eia MDEA(3,4-metilendiossie- 
tilamfetamina), detta ÈVE, Anche la MDA ( 3 ,4-metilendiossia mfeta mina], più nota come Love Pili oSpeedf or Love è fre- 
quente, anche se in percentuali molto minori in confronto a MDMA e MDEA. Oltre alla composizione, anche l'aspetto delle 
compresse è molto variabile, per colore, dimensioni e tipo di simbolo impresso su di esse. Spesso il prodotto clan- 
destino circolante è identificato con il nome di Elephant, Fido-Dido, Hammer, Dino, Mercedes, Popeyee e cosi via. 




LESCIENZE 406 /giugno 2002 



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S? 



Lo scopo è sempre lo stesso: creare un gergo non comprensibi- 
le alle persone esterne all'ambiente. 

L'ecstasy ha una lunga storia, ricca anche di curiosità. Sin- 
tetizzato per la prima volta in Germania nel 1912, nei labora- 
tori della Merck che ne depositò il brevetto due anni dopo, 
trovò la sua prima applicazione durante la prima guerra mon- 
diale per attenuare la fame e la stanchezza delle truppe. La so- 
stanza fu peraltro oggetto di studi sistematici soltanto a parti- 
re dai primi anni cinquanta quando, su sollecitazione dell'E- 
sercito degli Stati Uniti, la Michigan University iniziò a valu- 
tarne le capacità stimolanti su animali da laboratorio. Nello 
stesso periodo, peraltro, la US Army ne sperimentava gli effet- 
ti sull'uomo fornendola ai Marines dislocati in Corea prima e 
alle truppe in Vietnam, poi, I dati sperimentali relativi alle ri- 
cerche svolte nel 1950 furono resi disponìbili solo nel 1963, 
dopo che fu tolto il segreto militare, e pubblicati nel 1973. 

Verso la fine degli anni sessanta si fece strada, diffondendo- 
si dalla California, l'idea che l'ecstasy potesse essere considera- 
ta una sostanza «ricreativa» e negli anni settanta fu proposto 
l'impiego dell'MDMA come sostanza d'appoggio nel tratta- 
mento di alcolismo e depressione, A questa molecola fu attri- 
buita la capacità di abbattere le barriere fra medico e paziente, 
promuovendo l'introspezione, e alcuni arrivarono a proporre 
l'uso dell'MDMA per scopi terapeutici. Col tempo, però, ci si 
accorse che, invece che dai presunti benefici, la sua sommini- 
strazione era accompagnata da indesiderati effetti collaterali di 
ordine fisiologico, cosa che ne scoraggiò l'uso medico. 

Nel frattempo, tuttavia, la molecola aveva iniziato a circolare 
come sostanza d'abuso nel Regno Unito, dove fu messa al ban- 
do come droga fin dal 197 1, per diffondersi poi con rapidità in 
altri Stati. Nel nostro paese, dove il fenomeno dell'abuso del- 
l'MDMA e MDEA ha assunto dimensioni preoccupanti dopo gli 
anni ottanta, questi derivati amfetaminici sono stati inseriti nel- 
la Tabella I delle sostanze psicotrope e/o stupefacenti (istituita 
dalla Legge 685 del 22 dicembre 1975) solo con il DM del primo 
ottobre 1998. In Italia, quindi, sono attualmente perseguiti pe- 
nalmente produttori, spacciatori e detentori di derivati amfeta- 
minici. Nonostante ciò, com'è noto, la loro diffusione è notevo- 
le e in continua crescita. (Nel 1994 la massima diffusione era 
stata registrata in Toscana, seguita da Lombardia e Veneto, e 
quindi del Lazio.) Il Consiglio d'Europa stima che, dopo la Can- 
nabis e i suoi derivati, l'ecstasy sia la droga più popolare in Eu- 
ropa, specie fra i giovani tra i 15 e i 25 anni. L'uso dell'ecstasy è 
diffuso, di moda potremmo dire, fra gli assidui frequentatori 
delle discoteche, e nei ritrovi di massa notturni, noti come raves. 

In Europa buona parte della produzione di amfetamine e dei 
loro derivati ha luogo nei Paesi Bassi, dove - nonostante il Go- 
verno abbia messo fuori legge la produzione di tali sostanze - 
numerosi laboratori clandestini sono concentrati nella zona 
meridionale della regione di Maastricht. Questo primato inizia 
tuttavia a essere insidiato dai paesi dell'Europa orientale, in 
particolare dalla Polonia e da Lituania, Repubblica Ceca, Un- 
gheria e Slovacchia. Secondo fonti accreditate, la produzione 
polacca sarebbe caratterizzata da un livello di purezza molto 
elevato, del 90 per cento circa; sembra che questa alta qualità 
sìa dovuta al fatto che in quel paese, in seguito al dissolvimen- 
to del blocco sovietico, i laboratori di sintesi clandestini sono 
diventati uno sbocco «professionale» per chimici qualificati. 

Dall'euforia alla depressione 

L'assunzione di MDMA e MDEA avviene in grande preva- 
lenza per vìa orale. La somministrazione endovenosa, pure 
possibile, non è d'uso abituale, sia perché questa modalità in- 
duce effetti differenti rispetto a quelli cercati dal consumatore, 
sia perché l'assorbimento dei principi attivi è veloce anche per 




ingestione. Grazie anche alla loro natura lipofila, questi amfe- 
taminici vengono assorbiti dalla mucosa gastrica e, ancor più, 
dall'intestino tenue e, nel giro di pochi minuti, iniziano a en- 
trare nel flusso ematico per poi raggiungere il cervello, supe- 
rando agevolmente la barriera ematoencefalica. Nell'uomo, se 
l'MDMA viene assunto oralmente il picco pi asmatico si rag- 
giunge dopo 2 ore. L'emivita plasmatica è di 6-7 ore. In 72 
ore circa il 70 per cento viene eliminato principalmente attra- 
verso le vie urinarie. Gli effetti raggiungono il culmine dopo 
un'ora dall'assunzione e permangono per 4-8 ore. 

A livello del sistema nervoso centrale e periferico i due prin- 
cipi attivi hanno una spiccata azione simpaticomimetica, ossia 
interferiscono con il sistema noradrenergico, stimolando, per 
esempio, la frequenza cardiaca, innalzando la pressione sistoli- 
ca, attivando le ghiandole surrenali. L'esposizione cronica al- 
l'ecstasy produce alterazioni sui terminali serotoninergicì. 
L'MDMA, in particolare, sarebbe responsabile dell'inibizione 
del transporter della serotonina creando un deficit della stessa e 
dei suoi metaboliti. Dato che l'assunzione avviene spesso in 
contesti in cui il soggetto si sottopone a sforzi fisici prolungati, 
possono subentrare aritmia e asistolia che talora culminano, in 
casi gravi, in un collasso cardiovascolare. Rari sono tuttavìa i 
casi di morte per questa causa; la maggior parte dei decessi da 
ecstasy ha altre cause: la coagulazione intravasale disseminata, 
legata a una non ben chiarita interazione della sostanza con i 
fattori ematici che controllano la coagulazione; le crisi di iper- 
termia, innescate dalla droga e aggravate dallo sforzo fisico e 



68 



LESCIENZE 406 /giugno 2002 









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IN SINTESI 



■ Nelle compresse di ecstasy sono presenti in varia misura più principi attivi, in 
particolare MDMA, MDEA e MDA, tutti derivati amfetaminici. 

■ Allo stato di benessere e di euforia conseguente all'assunzione di ecstasy segue 
uno stato di prostrazione e mentale e fìsica, dovuta al «sovra sfruttamento» dei 
neuroni indotto dalla sostanza. 

■ L'assunzione di ecstasy può essere seguita da effetti indesiderati drammatici che 
possono arrivare alla morte per coagulazione intravasale disseminata, perorisi di 
ipertermia o per ictus. 

■ L'assunzione abituale può indurre degenerazione nei neuroni serotoninergici. 

■ Gli effetti negativi sono legati anche alla costituzione genetica del soggetto. 

■ Esperimenti condotti nel laboratorio diretto dall'autore mettono in evidenza che 
l'MDMA e l'MDEA sono in grado di provocare alterazioni a livello del DNA; dimostrando 
che l'ecstasy può avere un'azione mutagena e cancerogena, questi studi aprono una 
linea di ricerca finora pressoché inesplorata. 



ECCITATE DAUN IMPULSO ELETTRICO, 
le terminazioni presinaptichedel neurone 
rilasciano serotonina, che va ad attivare i 
recettori situati sul neurone postai naptico: al 
normale funzionamento di questo meccanismo 
[in alto a sinistra] corrisponde uno stato 
d'animo tranquillo e rilassato. L'assunzione di 
ecstasy aumenta notevolmente il rilascio di 
serotonina nello spazio sinaptico (in alto al 
centro], il che porta a una maggiore attivazione 
dei recettori; a questa situazione corrisponde il 
passaggio a sensazioni di euforia. Quando però 
l'ecstasy termina il suo effetto, ì neuroni - 
«sovraffaticati» ■ non sono più in grado di 
soddisfare neppure il fabbisogno fisiologico di 
serotonina [in alto a destra), determinando uno 
stato di prostrazione. A lungo andare [o sinistra 
in bosso] i neuroni possono degenerare, con 
strascichi a lungo termine. 



dall'ambiente surriscaldato e umido delle discoteche; le emor- 
ragie cerebrali legate a forti crisi ipertensive. 

Gli effetti di ordine stimolatorio generale sono comuni agli 
altri derivati amfetaminici, ma MDMA e MDEA hanno un'in- 
fluenza più marcata sulla psiche. Non va infatti dimenticato che 
la finalità dell'assunzione di ecstasy è «ricreativa» e, in effetti, 
per quanto riguarda la sfera umorale, si assiste a un forte innal- 
zamento dello stato di benessere che conduce, al culmine, al- 
l'euforia. Parimenti, aumenta la soglia dell'attenzione e della vi- 
gilanza, tanto che ti soggetto mostra facilità di parola e propen- 
sione al dialogo, accompagnate da una sensazione di potenza e 
dall'abolizione della necessità dì dormire. Come per altre sostan- 
ze, la prima esperienza influisce sulla futura condotta del sog- 
getto: se, per un insieme di circostanze di carattere ambientale, 
fisiologico e di suscettibilità individuale, questa risulta partico- 
larmente negativa non vi sarà stimolo a reiterare l'assunzione 
dell'ecstasy; altrimenti, l'effetto verrà cercato nuovamente. 

Con il passare del tempo, ma anche in funzione degli stimoli 
estemi e dello stato d'animo del soggetto, questi effetti si atte- 
nuano, ivi compresi quelli sul sistema nervoso. Anzi, l'intensa 
attività di rilascio a cui sono stati sottoposti i neuroni serotoni- 
nergici li porta a una transitoria incapacità dì produrre nuove 
molecole del neurotrasmettitore, la cui presenza a livello sinap- 
tico scende al di sotto dei livelli fisiologici. Le maggiori conse- 
guenze di questo stato di cose sono di ordine psichiatrico, e 
prendono la forma di depressione e psicosi, la cui durata è pro- 
porzionale alla dose assunta e a fattori fisiologici dell'individuo. 



Nelle 24 ore successive all'azione stimolante appaiono altri 
effetti acuti indesiderati, che si manifestano con una ridotta 
capacità di compiere attività fisiche e mentali, con insicurezza 
decisionale, inquietudine, insonnia e ansia, che possono anche 
sfociare in attacchi di panico. 

I danni a lungo termine 

Sotto il profilo tossicologico la maggior parte dei dati dispo- 
nibili riguarda i tessuti cerebrali. Da tempo si ipotizza uno spic- 
cato effetto neuro tossico conseguente all'uso abituale di ecstasy, 
un effetto ormai confermato da dati sperimentali. In particolare, 
le lesioni e la degenerazione tìpiche dell'assunzione prolungata 
di MDEA e MDMA riscontrate negli animali da laboratorio si 
manifesterebbero anche nell'uomo: nel liquido cerebrospinale di 
coloro che assumono abitualmente MDMA sì nota una diminu- 
zione dei marcatori specifici del sistema serotoninergico, rical- 
cando la situazione osservata nei primati non umani. Le lesioni, 
confermate da immagini elaborate alla PET (Posìtron Emission 
Tomography) del cervello di babbuino, sono presenti in forma 
grave a livello della neocorteccia, dello striato e dell'ippocampo 
e, in misura più lieve, a livello dell'encefalo e dell'ipotalamo. 

La causa principale della degenerazione conseguente a 
somministrazione ripetuta di MDMA e MDEA è un fenomeno 
di sovrapproduzione di specie reattive dell'ossigeno (in sigla 
ROS) in quantità superiore alla capacità riduttiva della cellula. 
(Le specie reattive dell'ossigeno sono rappresentate, per esem- 



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G9 




L'AUTORE 



GIORGIO LUIGI BRONZETTI, laureato In biologia e In farmacia, e 
con un dottorato in genetica, insegna presso la Scuola di spe- 
cializzazione in tossicologia dell'Università di Bologna. È an- 
che responsabile del Reparto di metagenesi ed ecotossicità 
del CNR, a Pisa. È presidente della Commissione ministeriale 
«Ecstasy e droghe sintetiche». L'interesse della sita ricerca è 
principalmente rivolto alla valutazione della potenzialità can- 
cerogena e anticancerogena di prodotti di sintesi e naturali 
con l'utilizzo di sistemi di mutagenesi. 



L'AMBIENTE SURRISCALDATO DELLE DISCOTECHE e lo sforzo fisico dovuto 
a ore dì ballo possono aggravare la situazione di chi sia colpito in maniera 
rilevante dall'ipertermia dovuta all'assunzione di ecstasy. Buona parte 
delle pillole reperibili sul mercato è fabbricata da piccoli produttori 
artigianali [in atto a destra]. 



AMFETAMINA 



S^f fc CH 3 



ECSTASY 



Anfetamine: cosa sono e come agiscono 



Llamfetamina è una isoprolarnina la cui sintesi rìsale alla 
• fine degli anni venti e che fu introdotta in terapia medica 
nel 1936 dopo che ne fu scoperta l'attività farmacologica. Gli 
effetti sono detti simp3ticomimetici perché l'amfetamina 
produce un'azione del tutto simile a quella che si ottiene 
stimolando il sistema simpatico. 

Alla base dell'azione dell'amfetamina c'è la sua 
somiglianza strutturale con la noradrenalina: in virtù di ciò 
essa può usufruire del trasmettitore di membrana per 
accedere alla terminazione sinaptrca. Il massiccio rilascio di 
neurotrasmettitore è dovuto a un'azione indiretta sulla 
cellula nervosa. 

La struttura chimica dell'amici amina può essere 



modificata mediante tre diversi tipi di sostituzione: a] 
sull'anello aromatico; b) sulla catena laterale; e] sull'azoto 
(N) amminoterminale. Da queste modificazioni si possono 
ottenere le amfetamine classiche che mostrano proprietà 
farmacologiche e tossicologiche correlate al sistema 
dopamminergico; derivati persostituzione dell'anello 
benzenico, che agiscono soprattutto sul sistema 
serotoninergico; e altri derivali che causano, soprattutto se 
ciclizzati, anche la degenerazione delle terminazioni 
se roto n ine rgi e he. L'MDMA [solubile in acqua, alcool, 
cloroformio) presenta il gruppo metilendiossi (-0-CH 2 -0-), 
mentre l'MDEA ha il gruppo metildiossietile. La differenza tra 
le due molecole è di un metile. 



pio, dall'ossigeno sìngoletto e dai radicali liberi, come il radi- 
cale ossidrile o l'anione superossido.) 

Da quanto emerge dai referti di medicina legale, l'MDMA, 
l'MDEA e i loro metaboliti si distribuiscono nei vari tessuti del- 
l'organismo. Come abbiamo detto, l'eliminazione dei principi 
attivi avviene principalmente attraverso le urine, ma va sotto- 
lineato che sono ì metaboliti, maggiormente solubili in solu- 
zione acquosa, a essere escreti più facilmente dall'organismo. 
(I principali prodotti di metabolizzazione dell'MDMA sono la 
3,4-metilendiossiamfetamina, o MDA; la 3,4-metilenìdrossi- 
metamfetamina, o HMMA; la 3-idrossimetilenamfetamina, o 
HMA; e la 3,4-diidrossimetamfetamina, o DHMA.) 

Ciò significa, peraltro, che nei confronti della sensibilità al- 
l'effetto tossico dell'ecstasy assume un ruolo fondamentale 
l'assetto enzimatico (in particolare a livello epatico) proprio del 
singolo soggetto. E stato infatti provato che l'enzima maggior- 
mente attivo è il citocromo P450 2D6 (CYP2D6) che catalizza 
la dealchilazione e la demetilazione sull'anello aromatico delle 
molecole dei principi attivi dell'ecstasy. Ma l'enzima in que- 
stione è polimorfico, ossia è presente nella popolazione in più 
forme, dovute a varianti alleliche del gene CYP2D6, che non 
mostrano tutte la stessa efficienza nel metabolizzare sia l'MD- 
MA sia l'MDEA. Gli individui che possiedono alleli del gene 
correlati a una buona attività dell'enzima - circa il 90 percen- 
to dei soggetti nella popolazione caucasica - sono detti EM 
(acronimo dell'inglese estensive metabolizer), mentre sono det- 
ti PM [poor metabolizer) coloro che ne sono privi. È necessario 
altresì sottolineare che l'attività del citocromo CYP2D6 non è 
ùiducibile da alcun tipo di agente chimico o fisico. 

Sempre in merito al metabolismo, a parte il citocromo 
P450, che complessivamente costituisce una famiglia conte- 
nente enzimi attivanti e disattivanti, assumono particolare ri- 
lievo i chi noni, le specie molecolari chiave. Quando sono co- 
niugati con il glutatione a formare i tioteri, i chi noni sì dimo- 
strano molto reattivi a livello del cervello, dove svolgono un 
ruolo importantissimo nello sviluppo di radicali liberi. Esperi- 
menti in pìpo confermano il ruolo protettivo dell'azione an- 
tiossidante degli enzimi deputati a ridurre la tossicità dei radi- 
cali liberi come la superossidodismutasi (SOD), 

Come è prevedibile, l'altro organo che risente notevolmente 
della tossicità dei principi attivi dell'ecstasy è il fegato, dove 
vengono veicolate e trattenute moltissime sostanze. L'insuffi- 
cienza epatica e l'epatite indotta da ecstasy sono state dimo- 
strate sperimentalmente nel ratto e sono documentate nell'uo- 
mo. Il meccanismo biochimico attraverso il quale l'MDMA e 



l'MDEA esplicano la loro tossicità sugli epatociti è tuttavia an- 
cora sconosciuto. Un dato comunque è certo: l'assunzione rei- 
terata, come già abbiamo evidenziato nel caso del sistema ner- 
voso, aggrava il rischio degenerativo dei tessuti. A testimo- 
nianza dell'elevata tossicità epatica sono stati riportati casi di 
epatite fulminante di gravità tale da imporre il trapianto del- 
l'organo. 

Geni a rischio 

Questi sono, in generale, gli effetti indotti dall'assunzione dei 
principi attivi dell'ecstasy, effetti che, come abbiamo visto, non 
si possono standardizzare, ma sono in rapporto alle caratteristi- 
che del sìngolo soggetto e alla sua variabilità fisiologica e ge- 
netica. E necessario inoltre sottolineare che - nonostante le co- 
noscenze acquisite, specie sulla neurotossicità e l'epato tossicità, 
con la sperimentazione e la casistica clinica - il panorama tos- 
sicologico è ancora lacunoso. E tuttavia questo panorama è de- 
cisamente più dettagliato rispetto a quanto si sa in merito alla 
genotossicìtà e alla cane erogeni cita dell'ecstasy, un ambito di 
ricerca rimasto finora pressoché inesplorato. 

Nel Laboratorio di mutagenesi ed ecotossicità del CNR di Pi- 
sa, di cui sono responsabile, Clara Della Croce, unitamente a 
Leonardo Cahaviuuro e Marco Cini e in collaborazione con 
Mario Giusiani dell'Istituto di medicina legale dell'Università di 
Pisa, ha affrontato la problematica della tossicità e della geno- 
tossicìtà dell'ecstasy prendendo in considerazione la predirti vita 
cancerogena. Tale ricerca ha costituito anche il tema della tesi 
di laurea dello studente Dinuccìo D inucci. 

L'MDEA e l'MDMA sono stati studiati sul ceppo D7 dì Sac- 
charomyces cerevisiae e nella linea V79 di cellule di mammife- 
ro. Gli esperimenti hanno dimostrato che questi due principi at- 
tivi non solo sono altamente tossici, ma provocano anche mu- 
tazioni del DNA. La tossicità, come del resto la genotossicìtà, 
diventa più marcata nelle cellule di mammifero quando il trat- 
tamento è prolungato. I dati mettono in evidenza che le muta- 
zioni indotte da MDMA e MDEA avvengono anche nei gameti, 
e quindi possono essere trasmesse alla prole. Inoltre, se si con- 
sidera la stretta relazione esistente tra mutazioni e cancro, si 
può ipotizzare che tali principi attivi siano altresì potenzial- 
mente cancerogeni. 

Studi dei livelli enzimatici confermano inoltre che l'MDMA e 
l'MDEA riescono a bloccare gli enzimi deputati a catabolizzare 
il neurotrasmettitore serotonina, Questo fa sì che essi non pos- 
sano più esplicare il loro compito che, in condizioni normali, 
consiste nel mantenere le concentrazioni di serotonina entro i 
parametri fisiologici. 



BIBLIOGRAFIA 



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bre 2 ODO. 



?a 



LE SCIENZE 406 /giugno 2002 



www.lescienze.it 



7>± 



di Andreas Nerlich 



La 
nell'antico 




Le più recenti ricerche 
compiute sulle mummie 
documentano operazioni 

molto complesse 
e perfettamente riuscite 



^k ll'epoca dei faraoni la medicina era considerata una delle di- 
flft scipline degne di più alta considerazione. Cosi, quantomeno, 
M^^^ riferiscono scrittori e dotti greci fin dall'epoca di Omero, 
—W ^K cioè a partire dalIVIII secolo avanti Cristo. Nel quarto can- 
^^L^^K to dell'Odisseo si legge; «e ognuno è lì medico esperto al 
A^^m^mA di sopra di tutti gli uomini» [traduzione di Mario Gìam- 
Km ^H merco]. Addirittura i Greci paragonavano il loro dio del- 

la medicina, Asclepio, a un mortale egizio, Imhotep, che nel 2600 avanti 
Cristo fu visir, architetto e astrologo del faraone Zoser, che fece costruire 
la piramide a gradini di Saqqara, Nella sua stessa terra, due millenni dopo 
la sua morte, Imhotep veniva venerato come un dio, e i malati si recavano 
in pellegrinaggio ai suoi templi a Menfi e sull'isola di Philae. Non stupisce 
quindi che nell'antichità i pazienti ricchi dell'Asia Minore e delle sponde del 
Mediterraneo risalissero il Nilo per consultare i medici egizi e che molto 
spesso questi operassero alle corti dei principi stranieri. 



?4 




Disponiamo di documenti scrìtti che 
raccontano il loro modo di procedere: 
molti papiri riportano puntuali istruzioni 
su come trattare diverse malattie (si veda 
la finestra a pagina 76). Sorprendente- 
mente la tecnica chirurgica viene appena 
descritta, né questa viene citata in altri 
documenti dì fonte greca dello stesso pe- 
riodo. Lo storico greco Erodoto (circa 
490-425 a.C.) scriveva: «Ogni medico 
tratta solo una malattia... ci sono oculisti, 
otorini, dentisti, gastroenterologi e spe- 
cialisti per determinate malattìe interne». 
Ma questo elenco di specializzazioni non 
annovera nessun chirurgo; di conseguen- 
za non c'è da stupirsi che fino a poco 
tempo fa gli archeologi dubitassero del 
fatto che nell'antico Egitto venissero ese- 
guiti interventi rilevanti e programmati. 
Le nostre ricerche sulle mummie ci hanno 
invece permesso di individuare chiare 
prove di un approccio chirurgico empiri- 
co e meditato. 

Miele sulle ferite 

In primo luogo ci occuperemo delle 
istruzioni chirurgiche riportate negli scrit- 
ti medici dell'epoca. Partendo dalla testa, 
il papiro Smith descrive lesioni fino circa 
a metà del corpo, le loro conseguenze e le 
relative contromisure. Poiché il passo si 
interrompe improvvisamente, è probabile 
che fosse parte di un testo didattico che 
trattava sistematicamente le ferite dell'or- 
ganismo umano, dall'alto verso il basso. I 
consigli - spesso molto chiari, facili da se- 
guire e mettere in pratica - ci colpiscono 
ancora oggi, tanto più che alcuni richia- 
mano moderne norme di trattamento. 

Le istruzioni per una frattura del cranio 
senza esposizione del cervello suggerisco- 
no un trattamento con una fasciatura a 
finì contenitivì ed emostatici. Tra le so- 
stanze consigliate a fini terapeutici viene 
spesso citato il miele, di cui è nota l'azio- 
ne battericida. Al contrario, un trauma 
cranico aperto («se vedi pulsare il cervel- 
lo») viene considerato incurabile. 

Il caso numero 36 dell'opera descrive 
una frattura dell'omero non esposta, cioè 
senza lacerazioni dei tessuti circostanti - 

LA PIÙ ANTICA RAPPRESENTAZION E DI STRUM ENTI 
CHIRURGICI EGIZI si trova su un rilievo 
dell'ambulacro più esterno del tempia di Kom 
Qmbo, circa 45 chilometri a nord di Assuan 
(l'edificio è dedicato al dio coccodrillo Sobek e a 
Karoeris, il «venerabile Horus» dalla testa di 
falco; la sua costruzione si protrasse dal primo 
secolo avanti Cristo fino ai primi due secali dopo 
Cristo). Il rilievo mostra nella fila superiore 
coltelli, sonde, trapani, una sega e pinzette; 
nella seconda uncini, tenaglie, vasi. Nella terza 
si riconoscono pinze, contenitori chiusi da un 
laccio e una bilancia. 



PS 



e la sua steccatura con bacchette di legno. 
Lo studioso di anatomia Elliot Smith 
riscontrò i segni di queste tecniche su due 
mummie, al Cairo, nel 1908. 1 pazienti, 
comunque, non sopravvissero a lungo al- 
le lesioni - una frattura all'omero e una al 
femore; ciò era intuibile dall'assenza di 
crescita di callo osseo sulle sup errici della 
frattura. La colorazione che Smith os- 
servò sui tessuti circostanti fu interpretata 
come residuo ematico, segno del fatto che 
la frattura si era verificata quando l'indi- 
viduo era ancora in vita e che non fu in- 
fetta al cadavere. Si noti che il caso nu- 
mero 37 tratta di una frattura simile, ma 
esposta, che viene classificata come «le- 
sione da non curare»: per molto tempo 
ancora, fino all'era moderna, fratture di 
questo genere avrebbero procurato gravi 




LA STECCATURA DI UNA FRATTURA DELL'OMERO 
fu scoperta su una mummia, nel 1908, 
dall'esperto di anatomia Elliot Smith. La 
fasciatura con stecche di legno doveva aver 
stabilizzato ottimamente la zona della cottura. 
Dui a fianco, un foglio del papiro Ebers, 
il documento di medicina egizia 
più completo che ci sia pervenuto. 



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I papiri medici 



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Dei tre millenni che vanno dall'unificazione del regno 
d'Egitto fino alla dominazione di Ottaviano è nota solo una 
dozzina di documenti di contenuto medico, mentre numerosi 
brevi testi di magia si riferiscono più o meno chiaramente al 
trattamento delle malattie. I testi medici venivano redatti con 
un linguaggio comune e scritti in caratteri corsivi ieratici. Passi 
importanti come i titoli, le dosi dei farmaci e i procedimenti 
diagnostici venivano evidenziati con inchiostro rosso. 

Il più importante trattato, dedicato principalmente alla 
terapia delle lesioni, è il papiro Smith. Il suo nome deriva 
dall'americano Edwin Smith, avventuroso commerciante di 
antichità, che lo ricevette nel 1862 da M usta fa Agh a, consoie 
britannico a Luxor. Comprende 3?? righe sul recto e 92 sul 
verso; è stato scritto nel 1 700 a.C. circa, ma si basa perla 
maggior parte su testi di 900 anni più antichi. James Henry 
Breasted, direttore dell'Istituto di orientalistica dell'Università 
di Chicago, ne pubblicò nel 1930 un facsimile con 
traslitterazione in geroglifici, introduzione, traduzione inglese, 
commento e note mediche di Arno B. Luckhardt. Il papiro è 
attualmente conservato presso l'Accademia delle Scienze di 
New York, 

La raccolta di scritti medici più estesa è il papiro Ebers, 
lungo più di 20 metri, che fini in possesso di Smith nel 1862. 



Nel 1872 fu acquisito dall'egittologo tedesco George Ebers per 
la Biblioteca dell'Università di Lipsia. Tre anni dopo ne venne 
pubblicato un facsimile con una introduzione e un glossario 
inglese e latino. Nel testo sono elencati in ordine sparso 
malattie e lesioni di diverse zone del corpo, diagnosi, prognosi 
e farmaci, taluni usati anche dagli dei. Da una nota sul retro si 
può dedurre che il papiro fu scritto durante il regno del faraone 
Amenofì I, alla fine del XVI secolo a.C; anche in questo caso 
però una parte del contenuto potrebbe risalire a un'epoca di 
gran lunga precedente. 

Il papiro di Kahun contiene 34 paragrafi su concepimento, 
contraccezione, gravidanza, parto e problemi ginecologici. 
L'opera, del 1810 a.C, fu rinvenuta nel 1889 dall'archeologo 
inglese Flinders Petrie nell'oasi del Fayum; ora si trova al 
London University College. 

Altri trattati medici sono il papiro Ramesseum V, con ricette 
contro tensioni muscolari e distorsioni, e il papiro Beatty VI, 
che parla dei clisteri come rimedio perle malattie del corpo. 
Altri documenti trattano i morsi dei serpenti, le diagnosi dì 
gravidanza e la previsione della data del parto, ma contengono 
anche molte ricette cosmetiche, come metodi contro 
l'incanutimento, le rughe, l'alitosi o contro la caduta dei capelli 
e persino alcune ricette veterinarie. 




E 

.S 

I 
i 




IN SINTESI 



■ Alcuni papiri riportano notizie 
sulla pratica della medicina presso 
la civiltà egizia; scarse sono invece 
le notizie sul la chirurgia. Per questo 
motivo, solo le indagini più recenti 
hanno permesso di fare luce sul livello di 
perfezionamento di questa disciplina. 

■ Il papiro Smith elenca alcuni rimedi 
ortopedici e chirurgici in uso presso gli 
Egizi: fasciatura perle fratture craniche, 
steccatura perle fratture 

non esposte delle ossa lunghe, 
incisione di ascessi e vesciche. 

■ L'analisi delle mummie ha portato 
alla luce altri interventi chirurgici: 
un'operazione sul cranio di un maschio 
adulto risalente a circa 3000 anni fa, 
l'amputazione di un piede di una donna 
vissuta nella stessa epoca. 

■ Per quanto riguarda gli interventi 
odontoiatrici, le prove sono scarse. 

I fori su una mandibola ritrovata a 
Saqqara potrebbero essere l'esito 
di una trapanazione ma anche l'effetto 
di una rara alterazione spontanea. 
Inoltre, secondo recenti analisi 
le protesi dentarie erano 
applicate post mortem. 

■ Un capitolo importante della 
medicina egizia è il trattamento del 
dolore. Nei polmoni di alcune mummie 
è stato ritrovato tetraidrocannabinolo, 
sostanza presente in quantità 
nell'incenso, utilizzato 
probabilmente come analgesico. 



INTERVENTO DI CIRCONCISIONE eseguito 
su un adolescente che, in un'altra scena, 
viene tenuto fermo da un aiutante, mentre 
il chirurgo opera accovacciato. Il rilievo decora 
ta tomba del medico Ankhmahor, 
nella necropoli dì Saqqara, risalente 
aliavi Dinastia [2290-215? a.C.]. 



setticemie con febbre, causando la morte. 
Le infezioni batteriche della zona lesa, re- 
sponsabili del decesso del paziente, erano 
naturalmente sconosciute ai medici egizi. 
Singoli documenti medici forniscono 
indirettamente altre indicazioni su prov- 
vedimenti chirurgici. In particolare il pa- 
piro Ebers riporta alcuni esempi dì inter- 
venti per altre malattie: prescrive di aprire 
con un coltello chiamato hemem i «rigon- 
fiamenti», espressione con cui sì indicano 
ascessi o vesciche. Vi è il dubbio che que- 
ste istruzioni si riferissero a gonfiori cir- 
coscritti, individuabili in diverse rappre- 



sentazioni, che potevano essere tumori. 

Nella lista delle indicazioni sugli inter- 
venti chirurgici non può mancare la cir- 
concisione, che veniva praticata all'età 
della pubertà, quindi probabilmente nel 
contesto dell'iniziazione (quantunque lo 
storico greco Erodoto riferisca che questa 
era abitualmente praticata per ragioni 
igieniche). Nei testi viene citata numerose 
volte. Un rilievo sulla tomba del medico 
Ankhmahor, nella necropoli di Saqqara, 
risalente alla VI Dinastia (2290-2157 
a.C), mostra il procedimento in maniera 
molto dettagliata. Nella prima scena si 



può riconoscere un ragazzo con le mani 
alzate, tenute tenne da un aiutante in pie- 
di dietro di lui; davanti, accovacciato, si 
vede un sacerdote o un medico (dalle im- 
magini non è possibile dedurlo) che tratta 
il pene con un oggetto, forse una spugna. 
Dall'iscrizione, «Strofina con forza, affin- 
ché abbia effetto» non è possibile capire 
se si tratti solo di un procedimento per la 
pulizia o per l'anestesia locale. Nella se- 
conda scena [riprodotta nella pagina a 
fronte) l'operatore incide con un coltello il 
prepuzio del giovane. Secondo i recenti 
ritrovamenti sulle mummie tutti gli egizi 



adulti erano circoncisi; l'intervento, seb- 
bene in origine forse motivato da que- 
stioni igieniche, non perseguiva obiettivi 
medici, come per esempio l'eliminazione 
di una fimosi, ma era un'usanza religiosa, 
come avviene ancora oggi presso gli 
Ebrei o i Musulmani. 

Alla fine del XTX secolo gli archeologi 
e i patologi integrarono le poche infor- 
mazioni provenienti dalle fonti scritte e 
dalle immagini con ricerche di paleopato- 
logia. Fino alla fine degli anni venti furo- 
no analizzate circa 30.000 mummie, sen- 
za che fossero riscontrate cicatrici chirur- 



giche. Ciò indusse gli archeologi a rite- 
nere che nell'antico Egitto venissero ef- 
fettuati solo interventi chirurgici di lieve 
entità. 

Nuove tecniche, 
lievi sensazioni 

Negli ultimi sette anni il nostro grup- 
po di studio sì è messo alla ricerca di al- 
terazioni patologiche sui resti di mum- 
mie e di scheletri di Tebe Ovest. Abbiamo 
scoperto tracce dì alta chirurgia; in que- 
sto ambito abbiamo cooperato molto 



strettamente con l'Istituto di patologìa 
dell'Università di Monaco di Baviera, l'I- 
stituti) di egittologia dell'Università di 
Heidelberg, l'Istituto tedesco di archeolo- 
gia del Cairo e con l'Egyptian Supreme 
Council of Antiquities. 

La prima prova ci fu fornita dal cranio 
di una mummia di adulto arrivata dall'E- 
gitto in Germania circa 50 anni fa (pur- 
troppo non disponiamo di altre informa- 
zioni). Il metodo di mummificazione fa- 
ceva supporre che l'uomo fosse morto 
nella prima metà del HI Periodo interme- 
dio (1080-7 14 a.C). Sotto le fasce di lino 



3*6 



LE SCIENZE 406 /giugno 2002 



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7? 



portammo alla luce uno strato intatto di 
pelle e di tessuti, assieme a folti capelli. 
Dopo l'ispezione esterna e il prelevamen- 
to di piccoli tamponi tii resina che chiu- 
devano naso e orecchie, penetrammo con 
un endoscopio nel cranio: prima attraver- 
so l'orecchio medio, da entrambi i Iati, poi 
attraverso la cavità nasale e un'apertura 
nella parte superiore di quest'ultima, gra- 
zie alla quale gli imbalsamatori avevano 
asportato il cervello. Notammo subito che 
mentre l'insieme degli ossicini dell'appa- 
rato uditivo destro era perfettamente con- 
servato, quello di sinistra mancava. Era 
stato asportato quando l'individuo era 
ancora in vita o appena dopo la morte, 
durante la mummificazione? Nella cavità 
cranica, all'interno dell'osso occipitale, 
individuammo uno strato piatto e marro- 
ne. Materiale simile veniva spesso versato 
per conservare le cavità corporee; si soli- 
dificava mentre il cadavere giaceva cori- 
cato sulla schiena. Inoltre un singolare 
strato piatto e marrone scuro copriva a 
tappeto una zona della parte sinistra della 
cavità cranica media. 

La tomografia computerizzata (TAC) ci 
sorprese: scoprimmo sotto la pelle e i tes- 
suti, completamente intatti, 
gli esiti di un'ampia lesione 
ovale dell'osso parietale si- 
nistro, appena sopra l'orec- 
chio, probabilmente conse- 
guenti a un trauma impor- 
tante. Dal margine superio- 
re della frattura comincia- 
va una spaccatura nella ca- 
lotta cranica al cui bordo si 
poteva notare una nuova 
formazione ossea lieve e 
isolata. L'analisi istologica 
di un piccolo campione 
chiari che la lesione non 
era stata subito mortale: in 
alcuni punti era reperibile 
un pigmento ematico. 

Molto più interessante 
era la mancanza di frammenti ossei nella 
zona corrispondente alla lesione. La sedi- 
mentazione interna - probabilmente resti 
delle meningi, intatte sebbene incollate e 
dure - e la pelle esterna intatta, quindi 
guarita, indicavano che un medico aveva 
curato la ferita, tagliato e rimosso il tessu- 
to e in seguito aveva allontanato i fram- 
menti ossei, sicuramente presenti. Gli os- 
sicini dell'apparato uditivo sinistro sì do- 
vevano essere mossi dalla loro posizione 
a causa del trauma. Erano fuoriusciti dal- 
la loro sede dopo la morte, ma prima del- 
la mummificazione. 

Il nostro secondo caso prese in consi- 
derazione un piede mummificato prove- 
niente da un complesso tombale dì Tebe 
Ovest. Il reperto risale alla cosiddetta Età 
ramesside (1305-1080 avanti Cristo), du- 





TESTA MUMMIFICATA DI UN UOMO, proveniente dalla necropoli di 
Tebe Ovest, dopo la rimozione delle bende di lino (o sinistro] . Solo 
la TAC [in alto] lascia intravedere gli esiti dì un'ampia lesione ovale 
nel tessuto intatto. Nonostante l'evoluzione leggermente 
imbutiforme verso l'interno, i patologi non hanno rinvenuto alcun 
Frammento osseo: segno questo di un intervento chirurgico 
accuratamente eseguito. 



rante la quale 1 1 faraoni della XLX e XX 
Dinastia ebbero questo nome. Questa par- 
te del corpo, peraltro, non consentiva di 
determinare le caratteristiche dell'indivi- 
duo, come l'età o il sesso. 

Particolare interessante era che la parte 
anteriore del piede era stata amputata 
quasi per intero. L'operazione, evidente- 
mente, era riuscita dato che uno strato in- 
tatto di pelle e tessuti aveva coperto la 
parte tagliata e non era possibile ricono- 
scere né una cicatrice né un difetto ana- 
logo. Dalle radiografie e dalla TAC risultò 
che il solo quinto dito era stato conserva- 
to e poi si era atrofizzato. Neppure questi 
esami rivelavano malformazioni o sup- 
purazioni della ferita. 

Supponemmo che il paziente fosse so- 
pravvissuto molti mesi, forse anche anni, 



anche se non potemmo constatare natu- 
rali processi riparativi di calcificazione. 
Non furono riscontrate complicazioni, 
come una ferita infetta che avrebbe potu- 
to lasciare un rigonfiamento cicatriziale o 
un'esostosi. Sulle ragioni dell'amputazio- 
ne si potevano solo fare delle ipotesi: la 
più probabile era una causa traumatica. 
In realtà, dall'esame del restante scheletro 
del piede non venivano indicazioni in tal 
senso, ma neppure indizi tali da far pen- 
sare a gravi problemi, come disturbi cir- 
colatori o un'infezione non guarita. 

A una operazione simile, anche se non 
cosi impegnativa, fu sottoposta una don- 
na che mori all'età di circa cinquantanni. 
La sua mummia, in pessime condizioni 
(sicuramente per opera di predatori di 
tombe), presentava fasciature con bende 



La medicina ai tempi dei faraoni 

La medicina era una disciplina molto sviluppata nell'ambito della cultura alta egizia. 
Molti particolari attinenti al trattamento di malati e feriti sono rimasti ancora 
oscuri, nonostante l'intensa ricerca. 

La nostra comprensione è resa ancora più difficile dalla mentalità dei medici Egìzi, a 
noi estranea: da un lato questi usavano molte piante curative [nelle fonti scritte sono 
elencati più di POO medicamenti, la cui composizione finora è stata identificata solo in 
minima parte]; dall'altro lato avevano scarse conoscenze dell'anatomia e delle 
funzioni del corpo umano, nonostante i cadaveri fossero sezionati a migliaia prima 
della mummificazione e gli organi interni venissero asportati. Il cuore veniva 
considerato sede del pensiero e dei sentimenti, e centro di un sistema di vasi che oltre 
a rifornire tutte le parti del corpo con sangue, acqua e aria trasportava lacrime, urina e 
sperma; durante la mummificazione veniva asportato raramente. Caratteristica era la 
mescolanza di procedimenti dimostrati empiricamente, in parte giustificati dal punto 
di vista scientìfico, e di altri mistico-religiosi, basati sull'interpretazione dei sogni o 
sull'uso di formule magiche, amuleti e dì molte sostanze. (Lo sterco di coccodrillo, per 
esempio, era usato come contraccettivo.] La causa dei dolori che noi conosciamo 
come infezioni da germi patogeni, era ascritta a «uomini e donne malintenzionati, vivi 
o morti», come si legge nel papiro Smith, «Sgorga fuori, tu raffreddore che distruggi le 
ossa, demolisci il cranio, colpisci il cervello e rendi malate le sette aperture della 
testa», dice una formula di scongiuro del papiro Ebers. Tuttavia le pratiche magiche 
sembrano aver preso piede solo nel Nuovo Regno, cioè dal 1550 a.C. circa. 

In ogni caso in alcuni papiri sono descritte anche molte diagnosi e terapie, che 
dimostrano un moderno livello di conoscenza: olio di ricino come purgante, 
fumigazioni con incenso per mitigare il dolore o radici di melograno contro i vermi 
parassitari. Queste sostanze attive vengono usate ancora oggi. 

Ragionevolmente per la cecità notturna, che può esser causata dalla mancanza di 
vitamina A, veniva prescritto fegato animale; per il mal di testa un impacco umido; per 
la tosse latte e miele; per la stitichezza un clistere; peruna slogatura una fasciatura e 
massaggi quotidiani. 

Erodoto era stupito della generale esigenza di pulizia; secondo i suoi scrìtti i 
sacerdoti facevano il bagno due volte di giorno e due volte di notte; e ogni tre giorni 
non solo si rasavano la testa, ma anche tutto il corpo, «affinché né un pidocchio né 
qualsiasi altro insetto immondo si potesse annidare in loro», 

SAKHMET DALLA TESTA DI LEONE, moglie di Ptah, il dio principale della città di Mentì, era la dea | 

protettrice delle arti mediche. I suoi attributi - da un lato sangue, morte e distruzione, dall'altro «j 

(a forza guaritrice - furono spesso associati a misure chirurgiche, è 




— 1 




di lino sui piedi, sul polpaccio destro e su 
entrambe le cosce, il tutto ricoperto da un 
balsamo resinoso. Tra le strisce di stoffa 
del piede destro notammo con stupore un 
corpo estraneo: si trattava di una protesi 
di legno intagliata accuratamente, che 
evidentemente sostituiva da molto tempo 
l'alluce amputato. 

Pelle illesa e tessuti ricoprivano il tron- 
cone, che in origine partecipava a forma- 
re l'articolazione del dito; la ferita era pri- 
va di difetti di guarigione. Dalla radiogra- 
fìa si potè riconoscere inoltre un rigonfia- 
mento, esito della guarigione del primo 
osso metatarsale: questo rigonfiamento e 
le tracce dell'uso nella parte inferiore del 
piede provavano che l'operazione era sta- 
ta eseguita alcuni anni prima della morte. 
Anche in questo caso ai chirurghi del- 



l'antico Egitto non solo era riuscita 
un'amputazione, ma avevano addirittura 
ottenuto che la ferita guarisse senza al- 
cuna complicanza. 

Tutto ciò era al di sopra delle nostre 
aspettative. Durante successive analisi ri- 
conoscemmo, dalle radiografìe e dalle 
TAC, calcificazioni sia dell'aorta toracica, 
della quaJe si era conservato un segmento 
di circa 12 centimetri, sia delle piccole ar- 
terie del piede. Probabilmente l'ateroscle- 
rosi aveva danneggiato a tal punto la cir- 
colazione sanguigna dell'alluce che que- 
sto, diventato necrotico, fu amputato per 
salvare la vita alla paziente. In questo ca- 
so il rischio connesso a un'amputazione 
fu ancora più alto, in quanto notoriamen- 
te l'aterosclerosi ostacola la guarigione 
delle ferite. Sia l'intervento, conclusosi 



con successo, sia l'abile adattamento del- 
la protesi dimostrano con quanta atten- 
zione fosse stata programmata e condotta 
l'operazione. 

Incenso contro il dolore 

Nell'antico Egitto, proprio come oggi, 
trovava vasta applicazione l'equivalente 
dell'attuale chirurgia odontoiatrica. La 
dentatura dei popoli dell'antichità era 
messa a dura prova dai granelli di mine- 
rali presenti nella farina, residui delle pie- 
tre con cui si macinavano i cereali. Inol- 
tre, nella stretta striscia di terra coltivata 
lungo il Nilo, arrivavano polvere e sabbia 
molto fine, che il vento occidentale porta- 
va dal Deserto libico e il vento orientale 
da quello arabo. Spesso le particelle sotti- 



PS 



LESCIENZE 406 /giugno 2002 



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?9 



li limavano così profondamente lo smalto 
dei denti e le radici che alla fine il canale 
dentario rimaneva aperto e vi si potevano 
annidare i batteri. Anche i faraoni e le 
persone di alto lignaggio soffrivano di do- 
lorosi ascessi dentali e di altri problemi al- 
l'apparato masticatore, come si scoprì at- 
traverso una serie di radiografìe eseguite 
sulle mummie del Museo egizio del Cairo. 
Si è discusso molto sulle cure dentisti- 
che che potevano venire eseguite senza 
che un'opinione chiara prevalesse. Noi 
stessi non abbiamo trovato alcuna prova 
d'intervento di chirurgia odontoiatrica, 
ma vogliamo menzionare una mandibola 
- proveniente da Saqqara e datata al 
Nuovo Regno [1554 o 1551 - 1080 a.C.) 
che presentava, in corrispondenza di un 
probabile ascesso, due fori paralleli e cir- 
coscritti, forse risultato di una trapana- 
zione mirata. Gli scettici credono che si 
tratti di una rara alterazione creatasi 
spontaneamente, poiché le analisi ap- 
profondite su circa 1000 crani di mum- 



dell'intervento e favorivano la guarigio- 
ne. Fino a 150 anni fa operazioni diffici- 
li come le amputazioni o l'asportazione 
di calcoli della vescica si effettuavano 
senza anestesia e in generale senza trat- 
tamenti per lenire il dolore: il buon chi- 
rurgo, di conseguenza, doveva essere so- 
prattutto abile e molto veloce. Qualche 
paziente moriva comunque, a causa del- 
le complicazioni circolatorie che si ma- 
nifestavano come conseguenza dei dolo- 
ri insopportabili. 

I medici egizi avevano scoperto molto 
presto l'effetto lenitivo del dolore posse- 
duto da alcune piante e dai principi attivi 
delle sostanze in esse contenute. In parti- 
colare sembra dimostrato che l'incenso, 
come l'hashish, contiene rilevanti quan- 
tità di tetraidrocannabinolo; il suo effetto 
euforizzante aiutava anche nel tratta- 
mento del dolore. Già nel terzo millennio 
a.C, molte navi commerciali trasportava- 
no grosse quantità di questa gommoresi- 
na, usata nei templi di culto, dalla regione 



usati altri analgesici, benché piante e ca- 
psule di papavero siano state trovate nel 
corredo funebre di una tomba. In ogni 
caso sembra probabile che ì medici anti- 
chi conoscessero bene le sostanze psi- 
coattive che aiutavano a lenire i dolori 
semplificando gli interventi chirurgici. 

D papiro Smith tratta per esempio del 
trattamento delle ferite. Oltre al fatto che 
le fratture dovevano essere ricomposte 
lungo l'asse corretto, vengono citati di- 
versi tipi di bendaggi. Oltre alla fissazio- 
ne delle fratture con stecche di legno, 
già citata, si consiglia di utilizzare carne 
cruda, come prima copertura della ferita. 



L'AUTORE 



ANDREAS NERLICH dirige l'Istituto di 
patologia all'Ospedale di Monaco di 
Baviera, Bogenhausen. Lo studio del- 
le mummie è uno dei punti chiave 
della sua ricerca. 





QUESTO PIEDE EBBE LE DITA AMPUTATE in corrispondenza 
delle articolazioni metatarso-falangee. La ferita postoperatoria guarì, 
senza lasciare cicatrici evidenti. La radiografìa mostra un frammento 
osseo dell'ultimo dito; probabilmente durante l'intervento fu dimenticato 
in quanto si trattava di un ossicino in posizione periferica. 



mie che presentavano segni di ascessi 
dentari non hanno dato risultati analoghi. 

I più forti e discussi indizi di azioni chi- 
rurgiche sui denti sono molto antichi. Pro- 
prio su una mummia proveniente da Saq- 
qara l'egittologo austriaco Hermann Jun- 
ker scoprì due molari rinforzati con filo 
d'oro. Un ritrovamento molto simile com- 
piuto nel 1952 da Shafìk Farid rafforzò 
l'opinione che i dentisti dell'antico Egitto 
avessero creato protesi di questo tipo per 
rimediare ai denti mancanti. Al contrarlo 
fu notato che i denti finti non mostravano 
assolutamente traccia d'uso, quindi pro- 
babilmente venivano inseriti dopo la mor- 
te, per rendere completo il cadavere. 

Le operazioni costituivano solo una 
parte dell'arte chirurgica. Oltre a queste 
vi erano terapie che lenivano i dolori 



SO 



chiamata Punt [citata in molte iscrizioni, 
si trovava probabilmente sul Mar Rosso 
meridionale, sotto la costa dell'odierna 
Eritrea). La regina Hatshepsut (che regnò 
dal 1490 al 1468 a.C) e il faraone Ramse- 
te 111 [1 193-1 162 a.C.) importarono addi- 
rittura piante di incenso, ma la coltivazio- 
ne non ebbe successo. 

L'uso di questa gommoresina per la 
cura di numerose malattie è attestato da 
iscrizioni che illustrano scene di fumiga- 
zione, dall'altro attraverso ricerche bio- 
chimiche sulle mummie effettuate in tem- 
pi più recenti, come anche noi abbiamo 
constatato. Per esempio, abbiamo trovato 
tracce di tetraidrocannabinolo nei polmo- 
ni di una mummia, quindi la sostanza era 
stata respirata quando il soggetto era an- 
cora in vita. Non è chiaro se siano stati 



Un elemento importante e molto usato 
nella composizione degli unguenti per le 
ferite era poi miele, la cui azione ade- 
siva, disinfettante e leggermente anti- 
biotica era provvidenziale. 

Per esempio, nel caso 27 di questo 
papiro si legge: «Se visiti un uomo con 
una ferita aperta sul mento, che arriva 
fino all'osso, devi palpare la sua ferita; 
se trovi che le ossa sono rimaste sane, 
allora devi dire: "Chi ha una ferita aper- 
ta nel mento, che arriva fino all'osso, ha 
una malattia che si può curare". Poi de- 
vi mettere due fasciature a ogni lesione: 
devi medicarlo con carne fresca il primo 
giorno, poi ogni giorno trattare la ferita 
con grasso, miele e fibre, affinché guari- 
sca». Con un simile procedimento è pos- 
sibile ottenere anche la guarigione di fe- 



LE SCIENZE 406 /giugno 2002 





<** 



In vacanza 

con i grandi protagonisti 

della cultura 
ad Anterselva - Dolomiti 



dal 27 luglio al 3 agosto 

Le Vacances dell'Astronomia 

L'evoluzione della Cosmologia 

da Galileo a BOOM ERanC 

con 

Paolo de Berna rdis 

docente di Laboratorio di Astrotisica all'Università "La Sapienza" 
di Roma e responsabile in Italia del progetto BOOMERanC. il 
progetto, nato dalla collaborazione di centri di ricerca america- 
ni, canadesi, italiani e ingiesi, ha fornito un'immagine del co- 
smo a soli 300 mila anni dal Big Bang! strabilianti i risultati del- 
le analisi dei dati raccolti 



L'ALLUCE AMPUTATO A QUESTO PIEDE DESTRO 
venne sostituito con una protesi in legno 
(o s/njstro). La paziente sopravvisse, come 
mostra ia ricrescita arrotondata del primo 
osso metatarsale. La TAC del piede rivela 
chela calcificazione dei vasi sanguigni 
{in bianco] avrebbe condotto la donna 
alla morte percancrena se non fosse stata 
eseguita l'operazione. 





rite da operazioni, come mostrano in 
particolare i casi di amputazione da noi 
scoperti. 

Secondo la nostra opinione i medici 
egizi erano in grado di condurre con suc- 
cesso interventi chirurgici di una certa 
gravità; la scarsità di conferme definitive 
in questo senso può derivare dal tatto che 
mummie e resti umani non sono stati fi- 
nora analizzati in maniera sufficiente- 



BIBLIOGRAFIA 



mente scrupolosa. Ciò è reso ancora più 
difficile dalla cattiva conservazione delle 
parti molli del corpo, poiché le sostanze 
utilizzate per l'imbalsamazione modifica- 
vano in maniera rilevante la pelle e i tes- 
suti. Inoltre le ferite dovevano essere 
spesso guarite così perfettamente che le 
cicatrici - come per entrambi i monconi 
delle amputazioni da noi studiati - risul- 
tano difficili da riconoscere. 



Le Vacances della Filosofia 

dal 20 al 27 luglio 

La Fenomenologia e il 

destino della civiltà 

occidentale 

con 

Carlo Stai 

ordinario di Filosofia teoretica all'Università di 
Milano, accademico dei Lincei 



dal 13 al 20 luglio 

Le Vacances della Filosofia 

La scienza della mente tra 

India ed Europa 

con 

Mauro Bergonzi 

docente di Religioni e Filosofie dell'India 
all'istituto Universitario di Napoli 



WESTENDORF W., Erwachen óerHeilkunst. Die Medizin im alteri Àgypten, Artemis e Wink- 

ler, Zurigo, 1992. 

STROUHAL EUGEN, Vìvere ai tempi dei faraoni, De Agostini, 1993. 

NERUCH A. e altri, AncientEgyptian Prasthesis of the Big Toe, in «Lancet», 35G, p. 2176, 2D0D. 

NUNN J. F.,Ancient Eggptian Medicine, British Museum Press, 1996, 



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V 



t 



8° anno 



Per informazioni e iscrizioni: 

Associazione A.S.IA - Bologna 

assasia@iperbole.bologna.it 

www.assasia.net - Tel. 051 225588 




WEREL, moglie di May, 
sovrintendente del re, 
appare elegantemente truccata 
e agghindata con i suoi abiti 
«gioielli più belli in questo bassorilievo I 
che decora una parete dalla tomba 
di Ramose. L'opera risale alla XVIII Dinastia 
(1350 a.C). Il pesante trucco degli occhi 
non aveva solo funzione estetica, 
ma religiosa, in quanto si ispirava 
agli occhi dei dio Horus. Una toro 
suggestiva rappresentazione,' 
Intagliata nel legno e dipinta 
[fotografia nella pagina a 
franto], proviene dalla tomba 
..del faraone Hor (XIII Dinastia] 
ed è esposta al Museo del Cairo. 



I segreti della 

COSMESI 



egizia 



Una recente 
ricerca condotta 
da egittologi, 
archeobotanici, 
chimici! dermatologi 
e creatori di profumi 
ha rivelato 
che già più 
di 4000 anni fa 
esistevano tecniche 
di preparazione 
complesse 
e raffinate 



di Daniela Condorelli 




82 



LESCIENZE 406 /giugno 2002 



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I cosmetici nell'antico Egitto avevano una profonda valenza religiosa non solo 
perché erano impiegati nelle cerimonie di purificazione e nella mummificazione, 
ma anche perché, come narra la leggenda, servivano a «ridare la vista al dio Ho- 
rus». Si narra che nella lotta con Seth, dio delle forze del male, Horus, figlio di Isi- 
de e Osiride, perse un occhio. Gli occhi di Horus rappresentavano il ciclo vitale del 
Sole e della Luna, della notte e del giorno, della luce e delle tenebre. «È proprio 
per ridare a Horus l'occhio perduto e quindi ritrovare l'equilibrio universale - spie- 
ga l'egittologa Jihane Zaki, docente all'Università del Cairo - che veniva usato lo stibio 
(in arabo «toh/»). L'occhio nero con un lungo prolungamento a forma di goccia che 



83 



si trova raffigurato su numerasi sarcofagi è, infatti, l'occhio di 
Horus, simbolo dell'integrità, della salute e della salvezza. Spes- 
so Horus era rappresentato anche in forma di falco, animale dal- 
l'occhio cerchiato cii nero che ha ispirato l'iconografia del dio. 

«Ma nel mito di Horus ricorrono altre sostanze oltre al kohl: 
unguenti, oli e cosmetici venivano portati dal sacerdote al co- 
spetto del dio per rigenerarlo, ridargli fòrza e vigore. Dall'unzio- 
ne dipendeva infarti la vitalità, la forza del dio» continua Zaki. 
Gli stessi sette oli sacri si ritrovano nei riti dell'imbalsamazione. 

Una sapienza che ha 4000 anni 

Materie prime e ingredienti di cosmetici e profumi, attrezzi, 
vasi di ogni foggia e materiale, flaconi dì oli prò fu mari, cucchiai 
per lo stibio o la malachite, specchi, pettini... L'abbondanza di 
reperti attinenti al mondo della cosmetica, esposti nei musei, sot- 
tolinea l'importanza di questi prodotti fin 
dall'Antico Regno (2700-2200 a.C), quando 
la paletta del trucco accompagnava i defunti 
nell'Aldilà. Ma l'importanza della cosmesi si 
protrae nei secoli: nel Nuovo Regno (1 552- 
1080 a.C), la regina Hatshepsut organizzava 
spedizioni nella «Terra di Punt» (forse l'at- 
tuale Yemen o la costa somala) per trovare 
ebano, avorio, ma anche incenso e resine per 
la sua toeletta. E belletto e profumi non era- 
no ricercati solo alla corte dei faraoni, ma 
anche tra il popolo, come testimonia un 
ostrakon ritrovato a Deir el Medi neh, il vil- 
laggio dei costruttori delle tombe della Valle 
dei Re, in cui un anziano chiede al figlio di 
portargli galena e miele per i suoi occhi. 

È da questa «pervasi vita» della cosmetica 
nella storia e nella cultura egizia che è nato 
l'interesse dei ricercatori per comprendere 
modi, strumenti, tecniche e valenze di que- 
st'arte millenaria. H passaggio dall'idea di 
una possibile ricerca alla sua realizzazione è 
iniziato nel 1995, quando il Centre de re- 
cherche et de restauration des musées de France (C2RMF) ha de- 
ciso di sfruttare il patrimonio di conoscenze specifiche dei ricer- 
catori de L'Oréal, la società che tempo fa aveva già condotto al- 
cune analisi sui capelli della mummia di Ramesse li per il Musée 
de l'Homme di Parigi. Ha così preso il via una ricerca complessa 
e affascinante - coordinata dal chimico Philippe Walter, dell'I- 
stituto di biologia molecolare e cellulare del CNRS a Strasburgo 
- che ha coinvolto egittologi, archeobotanici, chimici, dermato- 
logi e... creatori di profumi. 

Il trucco del faraone visto da un chimico 

«La prima indagine, pubblicata su "Nature" nel 1999 - spiega 
Walter - ha riguardato 49 campioni: vasetti in pietra (alabastro, 
ematite, marmo), ceramica, legno e giunco, conservati al Museo 
del Louvre. I pìccoli vasi contenevano unguenti e profumi. » Per 
identificare in modo non distruttivo la presenza, la quantità e la 
composizione di questo materiale, sono state utilizzate sofistica- 
te tecniche analitiche, fra cui per esempio la diffrattometria a 
raggi X con identificazione di fase. Si è così appurato che lo sta- 
to di conservazione di sostanze che datano tra il 2000 e il 1200 
a.C. è ancora ottimo. Contrariamente ai reperti dell'epoca greco- 
romana, infatti, questi vasi, ben sigillati e conservati sotto la 
sabbia, non hanno subito infiltrazioni di terra o acqua. 

Un primo studio al microscopio ottico aveva dimostrato che i 
granuli dei minerali presentano taglie e forme diverse, sugge- 
rendo modalità di preparazione differenti. L'esame al micrasco- 



■fe. 






IN SINTESI 



■ Per gli antichi Egizi i cosmetici avevano un carattere sacro: 
servivano a dare forza e salute in vita e nell'Aldilà. Questa loro 
caratteristica li ha farti ritrovare in grande quantità nelle 
sepolture, consentendo a un gruppo di ri ce reato ri fra noesi di 
progetta re un 'indagine approfondita sulla loro composizione, 

■ Utilizzando raffinate tecniche d'indagine si è così scoperto 
che i preparatori egizi avevano conoscenze empiriche, ma 
approfondite dei processi chimici che consentivano di produrre 
sali e ossidi di metalli per un trucco non solo estetico, 

ma dotato di proprietà terapeutiche. 

■ Studiando antichi documenti è stata anche ricostruita 
la ricetta di un antico profumo, il kyphi, costituito da 1G 
ingredienti. Esso veniva usato da sacerdoti e terapeuti per 
le sue proprietà ipnotiche e rilassanti, ma ha ora dimostrato 
di possedere qualità paragonabili a quelle dei più moderni, 
pregiati profumi. 



pio elettronico a scansione ha poi permesso di identificare i prin- 
cipali ingredienti dei cosmetici. In tre quarti dei campioni sono 
stati travati derivati del piombo come la galena nera (solfuro di 
piombo, PbS) e la cerussite bianca (carbonato di piombo, PbC0 3 ). 

La scoperta di prodotti di sintesi 

«Un successivo studio più approfondito - continua Walter - 
si è avvalso della collaborazione dell'equipe di Eric Dooryhée 
dei Laboratori di cristallografia della European Synchratron 
Radiation Facilìty di Grenoble, dove sono state eseguite 
analisi complementari utilizzando come sorgente la luce 
di sincrotrone. E stato così possibile individuare quan- 
tità considerevoli di laurìonite (PbOHCl) e fosfogenite 
(PbiCljCCy, due composti molto rari che si producono 
in natura quando il piombo viene a contatto con acqua 
contenente cloro. Questo accade pera solo in condizioni 
particolari. È stato osservato, per esempio, in alcune grotte 
greche, dove alcuni derivati del piombo si sono trasformati in 
questi composti grazie all'incessante sciabordio dell'acqua di 
mare: un evento troppo raro per spiegare la presenza di questi 
composti nei cosmetici in oltre otto secoli di storia.» 

Sembra dunque che gli antichi Egizi avessero una conoscen- 
za perlomeno empirica di ciò che creavano attraverso processi 
che non potevano essere casuali. 

Negli scritti del naturalista latino Plinio il Vecchio è stata ri- 
trovata una descrizione dettagliata della sofisticata procedura di 



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CUCCHIAIO PER IL FARD a forma di nuotatrice, della XVIII Dinastia [in o/rc); 
a sinistra nella pagina a fronte, elegante paletta in pietra per ridurre 
in polvere galena, malachite e ocra, risalente all'epoca di Nagada 
[circa 3000 a.C). Sotto di essa, cofanetto in legno con otto balsamari 
in cui è rimasta parte del contenuto (XIII Dinastìa]. La scultura in legno 
stuccato e dipìnto rappresenta la testa del giovane faraone Tutankhamon, 
Risale alla fine della XVIII Dinastia e proviene dalla Valle dei Re. 



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6 



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sintesi chimica dei cloruri dì piombo. In questi testi, che risalgo- 
no al I secolo d.C, è spiegato come da schiuma d'argento purifi- 
cata)* (l'ossido di piombo) venisse ridotta in polvere e miscelata 
con acqua e sale [talvolta con natron, un carbonato di sodio 
usato per la mummificazione) e poi filtrata. 

Seguendo queste ricette è stato possibile ricostruire in labora- 
torio i processi usati dagli Egizi, Sì suppone che essi riscaldasse- 
ro la galena per ottenere ossido di piombo. Questo veniva poi fi- 
nemente macinato, mescolato al sale e diluito nell'acqua. Il gior- 
no seguente, dopo aver filtrato la soluzione, si aggiugeva altra 
acqua salata. 11 tutto andava ripetuto per 40 giorni, alla fine dei 
quali si otteneva una polvere bianca: la Iaurionite. Perla fosfo- 
genite, invece, la ricetta prevedeva l'uso di nailon. 

Cosmesi e medicina 

Le ragioni di questa complicata operazione non erano pura- 
mente estetiche. «Sembra che gli Egizi aggiungessero queste so- 
stanze ai loro cosmetici per curare alcune malattie oculari» af- 
ferma Walter. Nei papiri sono state ritrovate liste di centinaia di 
ricette per il trattamento di problemi della cornea, dell'iride e 
delle palpebre, cosi come per la congiuntivite o il tracoma. Nel 
Papiro Ebers, che risale al 1 500 a.C, si legge: «Per togliere secre- 
zioni dagli occhi, applicare sulle palpebre galena, malachite, 
ocra rossa, resina e miele». 

Non solo: alcuni preparati proteggevano dall'intensa luce del 
sole assorbendo le radiazioni ultraviolette. «La loro efficacia può 
essere spiegata dalla presenza di ossidi dì metallo - osserva 
Jean-Luc Leveque, direttore di ricerca di L'Oréal - che agivano 
analogamente al biossido di titanio contenuto negli attuali pro- 
dotti antisolari, » Walter, in collaborazione con la Facoltà di far- 
macia di Chatenay-Malabry, sta approfondendo le proprietà te- 
rapeutiche (prevalentemente battericide e antinfiammatorie) di 
questi composti. Un primo risultato è destinato a far discutere: 
valutando le capacità di penetrazione dei composti a base di 
piombo, notoriamente tossici, sembra che queste sostanze non 
venissero assorbite dall'organismo. 

Antiche alchimie, moderne indagini 

L'analisi di oli e unguenti ritrovati non lascia dunque spazio a 
dubbi: gli antichi Egizi avevano conoscenze approfondite, in 
termini di sintesi e di proprietà degli ingredienti. Parallelamente 
alle indagini sui minerali, sono state studiate le materie organi- 
che contenute in alcuni vasetti. Per non deteriorare i campioni 



86 



LA RADIOGRAFIA DI UN VASETTO IN CALCITE per belletti consente 

divedere al suo interno la parte del prodotto a base di piombo 

che si è conservata [in bianco}. In basso un frammento di un dipìnto 

che decora la tomba dì Nakht (XVIII Dinastia). Le belle fanciulle 

in abiti succinti, ma con ricche acconciature e perfettamente truccate, 

hanno in testa il caratteristico «cono di profumo» e suonano 

due strumenti a corda. 









AMPOLLA IN VETRO DECORATO A FESTONI con una tecnica tipica 
del Nuovo Regno (circa 1350 a.C.}. Ancora sigillata, conteneva 
probabilmente un olio profumato. Qui sotto, un vasetto con una stretta 
apertura, adatto per contenere unguenti o slibro. Esso reca incisi i nomi 
di Amenofi III e della regina Tiy, segno che fu prodotto da un atelier reale. 



La ricetta di un profumo millenario 




MICROFOTOGRAFIA 
di un frammento 
del minerale con cui 
venivano prodotte 
le polveri che, 
impastate con 
i! grasso, si usavano 
per truccare gli occhi. 



L'AUTRICE 



DANIELA CON DORELLI, giornalista 
free-lance, si occupa prevalentemente 
di divulgazione medico-scientifica. 




sono state utilizzate tecniche non distruttive: la spettrometria a 
infrarosso ha permesso di determinare i singoli componenti, evi- 
denziando la presenza di materie grasse sotto forma di saponi in 
proporzioni variabili in rapporto alle sostanze minerali. Le mo- 
lecole dei campioni sono state poi analizzate con la gas-croma- 
tografia, dimostrando la presenza di catene grasse di origine 
animale. Infine, la fluorescenza a raggi X è giunta a concludere 
che i saponi «al piombo» erano stati ottenuti dalla sintesi di sali 
di piombo e acidi grassi. «In cinque flaconi contenenti unguenti, 
ritrovati nelle necropoli del villaggio degli artigiani Deir el Me- 
dineh - spiega René Brenieaux, ingegnere chimico di L'Oréal - 
abbiamo individuato acidi grassi saturi e glicerina.» 

La presenza di materia grassa in proporzioni variabili è sor- 
prendente: rivela infatti la capacità degli antichi Egizi di dosare 
questi composti in funzione dell'aderenza alla pelle. «Questo è 
possìbile miscelando salì dì piombo ad acidi grassi e riscaldan- 
doli» spiega Brenieaux, Non solo: le polveri ritrovate nei vasetti, 
analizzate al microscopio ottico, hanno dimostrato che la galena 
era più o meno finemente macinata e associata a polveri bian- 
che naturali [cerussite) o sintetiche (Iaurionite). Giocando sulla 
granulometria, gli Egizi mostravano di conoscere, almeno empi- 
ricamente, le leggi ottiche della riflessione della luce. I cristalli di 
galena, infatti, sono piccoli cubi le cui facce riflettono la luce 
dando loro un colore nero argentato. Frantumandoli molto fine- 
mente sì ottiene una polvere nera opaca, mentre miscelandoli 
con polveri bianche si ottengono varie tonalità di grigio. 

Conoscenze che si sono perpetuate per millenni e che ritro- 
viamo nel gesto ancora quotidiano delle donne della campagna 
egiziana, che ogni mattina, appena alzate, si mettono il kohl. 



Questa ricerca delle radici della cosmesi si è anche proposta di 
analizzare dal punto di vista chimico il kyphi, il profumo usato 
alla corte dei faraoni, nel culto dei templi e nella pratica medica 
oltre 4000 anni fa. Purtroppo, non se ne hanno tracce originali 
da studiare, ma qualcosa è rimasto: le iscrizioni che ne descrivo- 
no la preparazione nei templi dì Edfu e Philae e una ricetta nel- 
l'opera Iside e Osiride di Plutarco. «Il kyphi - riferiva lo scrittore 
greco nel I secolo - è un profumo composto da 
^ sedici sostanze: miele, vino, uva passa, cìpero, 
resina e mirra, legno di rosa; si aggiunge lenti- 
schio, bitume, giunco odoroso, pazienza, gine- 
pro, cardammomo e calamo aromatico... Ma non a 
caso, bensì secondo le fòrmule indicate nei libri 
sacri.» Ed è a partire dall'attenta interpretazione 
di queste formule che archeobotanici, egittologi, 
chimici e l'esperta di profumi Sandrine Vi- 
deault hanno dato vita a questo profumo dol- 
ce e speziato che era preparato allo stato so- 
lido e fumigato nei riti religiosi e in terapia 
perle sue proprietà rilassanti e ipnotiche. 

Dopo un paziente lavoro di indagine, al- 
la ricerca della giusta parte di pianta da 
usare, del tipo di essenza (esistono 1 5 spe- 
cie di mirra e 10 di incenso) e delle propor- 
zioni corrette, è emerso che già nell'antico 
Egitto i profumi erano creati seguendo le leg- 
di quella che oggi si chiama «piramide olfatti- 
va» e che prevede tre tipi di note: di testa, di cuore e 
di fondo, che permangono sulla pelle con tempi diversi. II kyphi 
ha note di testa costituite da menta e citronella, un cuore spezia- 
to conferito da bacche di ginepro e cannella e un fondo balsami- 
co per l'incenso e la mirra. «È stata un'esperienza singolare» rac- 
conta la Videault. «Perché, per esempio, alla terza delle cinque fa- 
si, ossia quella che prevede l'aggiunta di vino di palma, i vapori 
hanno cominciato a farmi bruciare gli occhi e a danni sonnolen- 
za?» Era l'effetto del giunco odoroso, notoriamente tossico, libe- 
ratosi solo a questo stadio. E perché il composto si è consolidato 
solo quando a Parigi, dove la Videault lavorava, è uscito il sole? 
Come si vede le ricerche sono ancora ben lontane dal conclu- 
dersi, anche perché l'interesse si sta spostando su altri periodi 
storici. Si tratterà, per esempio, di scoprire come si sono evolute 
le conoscenze in epoca greco-romana. Ci sono ancora innume- 
revoli piccoli vasi da aprire... 



PER SAPERNE DI PIÙ 



Si può visitare la mostra «Profumi e cosmetici nell'antico Egit- 
to» al Museo del Cairo, nella sala delle esposizioni temporanee 
dal 6 aprile al E luglio 2002. 

Ulteriori informazioni sono disponibili in rete sul sito del Centro 
nazionale della ricerca scientifica francese, che ha patrocinato 
l'iniziativa: www.cnrs.fr/parfums-eg i jpte/ 
In contemporanea, sul sito del Louvre ( www.louvre.fr ) è possi- 
bile effettuare una visita virtuale dell'esposizione, mentre a 
Marsiglia, presso il Museo della Vìeille Charité, è allestita una 
esposizione gemellata con quella del Cairo. 



www.Iescienze.it 



8? 









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I 



I 



n 



«Dicono che il mare è freddo, 
ma contiene 

il sangue più caldo di tutti, 
il più selvaggio, il più pulsante. 



D. H. Lawrence, 
«Whales Weep Not!» 



Nuovi fossili 
e analisi del DNA 
fanno luce sulla 
straordinaria storia 
evolutiva dei cetacei 



di'KateWong 



n Eotitanops, simile all'at- 
tuale tapiro, girovaga peri- 
colosamente vicino all'ac- 
qua, ignorando le grida di 
allarme della madre. Per 
quel predatore immobile, 
appostato tra le mangro- 
vie, l'opportunità è troppo favorevole per 
ignorarla. Grazie ai possenti arti posteriori, 
spicca un balzo verso la terraferma e affon- 
da i suoi formidabili denti nel corpo del cuc- 
ciolo, trascinandolo in mare. La reazione 
convulsa della vìttima si spegne mentre 
questa annega, intrappolata dalle mascelle 
del predatore, simili a una morsa. Vittorioso, 
l'animale esce dall'acqua per divora re la sua 
preda. Di primo acchito il terribile predatore 
sembra un coccodrillo: zampe tozze, coda 
robusta, muso allungato e occhi sul capo. 



IN UN A SCENA DI 48 MILIONI DI ANNI FA, 

nell'attuale regione del Pakistan, l'antico cetaceo 

Radhocetus [in primo piano] si nutra di pesci 

marini mentre un esemplare di Ambulocetus [più 

dietro] attacca un piccalo mammifera terrestre. 



A un'analisi più attenta, tuttavia, ci si accorge che è coperto 
da pelo anziché dalla corazza e ha zoccoli al posto di unghioni. 
Le cuspidi dei denti, poi, indicano che si tratta di un mairi niifero, 
non di un rettile. In effetti questo strano animale è un Atnbulo- 
cetus, cetaceo primitivo appartenuto a un gruppo intermedio 
che congiunge gli antenati dei cetacei vissuti sulla terra ferina al- 
le circa 80 specie attuali di balene e delfìni. 

Fino a poco tempo fa, la comparsa dei cetacei era uno dei mi- 
steri più ritti della biologia evolutiva. Mancando di pelo e di arti 
posteriori ed essendo incapaci di sopravvivere sulla terraferma, i 
cetacei attuali rappresentano una forte anomalia rispetto al mo- 
dello dei mammiferi. In realtà il loro aspetto ittiomorfo portò 
Henna ti Melville, nel 1851, a descrivere Moby Dick e i suoi si- 
mili come pesci. Ma già per ì naturalisti del XIX secolo, tra cui 
Charles Darwin, questi animali a sangue caldo che respirano 
aria e allattano i piccoli dovevano essere considerati mammife- 
ri. E poiché i mammiferi ancestrali vivevano sulla terraferma, 
era evidente che anche i cetacei dovevano avere un antenato 
terrestre. Tuttavia agli studiosi sfuggiva in che modo un mam- 
mifero terrestre potesse aver originato animali marini. Dal canto 
suo Darwin nell'opera L'origine delle specie affermò come un or- 
so che nuotasse a bocca aperta per catturare insetti potesse esse- 
re considerato un plausibile punto di partenza evolutivo per i 
cetacei. L'affermazione suscitò tanta ilarità che nelle edizioni 
successive lo scienziato tenne a precisare come tale orso fosse 
«molto simile a un cetaceo». 

I fossili dei cetacei hanno dato solo scarsi contributi agli studi 
sull'origine di questi animali. Dei pochi resti rinvenuti nessuno 
era così completo o così antico da aprire qualche spiraglio nel- 
l'interpretazione della loro vicenda evolutiva; per di più le ana- 
lisi condotte sulla bizzarra anatomia dei cetacei attuali non fa- 
cevano che aggiungere motivi di perplessità. Perciò, ancora un 
secolo dopo Darwin, questi mammiferi acquatici rimanevano un 
enigma evolutivo. In effetti, nella sua 
classificazione dei mammiferi del 1945, il 
paleontologo George G. Simpson affer- 
mava che negli oceani i cetacei si sono 
evoluti in tempi cosi lunghi da non aver 
lasciato traccia delle loro origini. Definen- 
doli «nel complesso, i più peculiari e aber- 
ranti fra i mammiferi», assegnava arbitra- 
riamente i cetacei ai vari altri ordini. Da 
quale punto dell'albero genealogico dei 
mammiferi si fossero staccati e in che 
modo avessero conquistato i mari sem- 
brava impossibile svelarlo. 

Negli ultimi due decenni molti tasselli 
dì questo rompicapo hanno trovato la lo- 
ro collocazione. Sono stati scoperti parec- 
chi fossili risalenti all'Eocene, periodo che 
va da 55 a 34 milioni di anni fa, quando i 
cetacei primitivi, o archeoceti, si spostaro- 
no dalla terra al mare. Sono state trovate ^^^^^^^^^h 
anche testimonianze dell'Oligocene, pe- 
riodo nel quale si differenziarono gli attuali so riordini dei ceta- 
cei con tànonì (misticeti) e con denti (odontoceti). Questo mate- 
riale fossile, assieme all'analisi del DNA di cetacei attuali, ha 
consentito di ottenere un quadro dettagliato di una delle più 
grandi modificazioni evolutive di cui si abbia testimonianza. 

Idee in evoluzione 

Nello stesso periodo in cui Simpson dichiarava indecifrabile 
la parentela dei cetacei con gli altri mammiferi, si mise a punto 
un nuovo metodo comparativo basato sull'analisi delle reazioni 
anticorpo -antigene nelle specie attuali. In risposta a Simpson, 



Alan Boyden della Rutgers University e collaboratori applicaro- 
no questa tecnica al problema dei cetacei. 1 risultati dimostraro- 
no che, tra gli animali attuali, gli artiodattili - che comprendono 
il cammello, l'ippopotamo, il maiale e i ruminanti - sono i più 
affini ai cetacei. Tuttavia l'esatta natura della parentela rimane- 
va oscura. I cetacei stessi erano artiodattili, oppure cetacei e ar- 
tiodattili avevano un antenato in comune? 

Una conferma di quest'ultima ipotesi si ebbe negli anni ses- 
santa, grazie a studi sui mammiferi primitivi provvisti di zocco- 
li, i condilarti, che non avevano ancora evoluto i caratteri spe- 
cializzati degli artiodattili o dì altri ordini di mammiferi. Leigh 
Van Valen, allora all' American Museum of Naturai Hìstory di 
New York, scopri straordinarie somiglianze tra i denti tricuspi- 
dati dei pochi restì fossili di cetacei noti e quelli di un gruppo di 
carnivori condilarti, i mesonichidi. Inoltre trovò caratteri simili 
nei denti degli artiodattili e di un altro gruppo di condilarti, gli 
arctocionidi, affini ai mesonichidi. Van Valen concluse che i ce- 
tacei discendevano dai mesonichidi carnivori, simili a lupi, e che 
perciò si ricollegavano agli artiodattili attraverso i condilarti. 

Cetacei che camminano 

Ci volle una decina di anni prima che 1 paleontologi riuscisse- 
ro finalmente a trovare fossili abbastanza prossimi al punto di 
origine dei cetacei per poter valutare l'ipotesi di Van Valen sui 
mesonichidi; e passò ancora un po' di tempo prima che si com- 
prendesse la reale importanza di questi reperti. Tutto iniziò nel 
1977, quando il paleontologo Philip Gingerich dell'Università 
del Michigan sì recò in Pakistan per esplorare un sito fossilifero 
che avrebbe dovuto contenere resti di mammiferi terrestri del- 
l'Eocene. La spedizione si rivelò deludente perché furono trovati 
solo fossili marini. Simili ritrovamenti lontano dalle coste attua- 
li del Pakistan non devono sorprendere: durante l'Eocene il va- 



IN SINTESI 



■ I cetacei, con la loro specializzazione per l'ambiente marino, rappresentano 
un'anomalia fra i mammiferi, e la loro evoluzione è sempre stata un problema di 
difficile soluzione, sul quale solo gli studi più recenti cominciano a far luce. 

■ Un'ipotesi a lungo gene Talmente accettata fa discenderei cetacei dai mesonichidi, 
un gruppo di mammiferi primitivi provvisti di zoccolo e della taglia di un lupo; più di 
recente, studi di biologia molecolare hanno rintracciato strette analogie con gli 
artiodattili, e in particolare con l'ippopotamo. 

■ Benché i rapporti di parentela dei cetacei siano ancora oggetto di dibattito, le nuove 
testimonianze fossili permettono di ricostruire molti degli adattamenti anatomici 
che hanno consentito a questi animali di conquistare i mari. 

■ Questa transizione avvenne nell'Eocene, periodo compreso tra 55 e 34 milioni di 
anni fa, allorché il caldo mare della Tetide forniva un ambiente favorevole e ricco di 
sostanze nutritive. Nell'Oligocene, tra 34 e 24 milioni di anni fa, sì sono poi evoluti gli 
attuali misticeti e odontoceti dai loro antenati archeoceti. 



sto mare della Tetide ricopriva periodicamente ampie aree del- 
l'attuale sub contiti ente indiano (si veda la finestra nella pagina 
a fronte). Tuttavia, tra ì resti di antichi pesci e molluschi, si sco- 
prirono due frammenti di cinto pelvico che sembravano essere 
appartenuti a un animale deambulante relativamente grande. 
«Scherzavamo sulle balene che camminano - ricorda Gingerich 
- perché era un fatto impensabile.» Per quanto le ossa del cinto 
pelvico fossero strane, l'unico fossile raccolto in quella spedizio- 
ne ad apparire importante in quel momento fu la mandìbola di 
un artiodattilo primitivo, rinvenuta in un'altra zona del paese. 

Due anni dopo, alle pendici himalayane del Pakistan setten- 
trionale, Gingerich e i suoi si imbatterono casualmente in un al - 



LE SCIENZE 406 /giugno 2002 




Potrebbe sembrare strano che, 300 milioni di anni dopo 
che i vertebrati avevano finalmente stabilito un punto 
d'appoggio sulla terraferma, alcuni siano ritornati al mare. Ma 
lo scenario nel quale si evolvettero i primi cetacei offre indizi 
per capire che cosa li attirò verso l'acqua. Per gran parte 
dell'Eocene (55-34 milioni di anni fa circa), il mare della Tetide 
si estendeva dalla Spagna all'Indonesia. Sebbene le zolle 
continentali e oceaniche che conosciamo oggi fossero già ben 
riconoscibili, l'India andava ancora alla deriva, l'Australia non 
era completamente separata dall'Antartide e vaste zone 
dell'Africa e deil'Eurasia erano sommerse. Queste acque calde 
e poco profonde erano ricche di sostanze nutritive e 
brulicavano di pesci. Inoltre plesiosauri, mosasauri e altri 
grossi rettili marini, scomparsi insieme con i dinosauri, 
avevano lasciato libera una nicchia ecologica, pronta per nuovi 
predatori primari (anche se squali e coccodrilli erano sempre 
forti competitori). E difficile immaginare un invito più allettante 
per un mammifero. 

Durante l'Oligocene il livello del mare si abbassò e l'India 
migrò verso nord fino a scontrarsi con il resto dell'Asia, 
formando la catena montuosa dell'Himalaya. Cosa ancora più 
importante, come fa notare Philip Gingerich, paleontologo 
dell'Università del Michigan, l'Australia e l'Antartide si 
separarono, dando origine all'Oceano Meridionale e creando 
una corrente circumpolare australe che finì per trasformare la 
mite Terra dell'Eocene nel pianeta dotato di calotte glaciali che 



abitiamo oggi. Il clima e il sistema di correnti attuali hanno 
apportato cambiamenti radicali nella quantità e nella 
distribuzione delle sostanze nutritive nel mare, generando un 
nuovo insieme di opportunità ecologiche per i cetacei. 

Come è stato ipotizzato dal paleontologo Ewan Fordyce 
dell'Università dì Otago, in Nuova Zelanda, questo fatto creò le 
basi per la sostituzione degli archeoceti da parte degli 
odontoceti e dei misticeti. Secondo Fordyce, il primo legame 
noto fra archeoceti e l'attuale ordine dei cetacei è Llanocews, 
un cetaceo misticeto vissuto 34 milioni di anni fa in Antartide, 
che probabilmente filtrava le gelide acque australi alla ricerca 
del krill, proprio come fanno oggi i misticeti viventi. Gli 
odontoceti comparvero più o meno nello stesso periodo e si 
specializzarono nella ecolocalizzazione per cacciare in 
profondità. 

Purtroppo le testimonianze fossili delle origini di odontoceti 
e misticeti sono piuttosto rare. L'abbassamento del livello del 
mare nell'Oligocene medio ha esposto i sedimenti 
potenzialmente ricchi di fossili di cetacei all'erosione da parte 
del vento e della pioggia, facendo di questo periodo «una landa 
desolata per quanto riguarda i fossili», come afferma il 
paleontologo Mark Uhen del Cranbrooklnstituteof Science di 
Bloomfield Hills nel Michigan. Le testimonianze fossili 
posteriori mostrano chiaramente che intorno a 30 milioni dì 
anni fa i misticeti e gli odontoceti si erano diversificati nelle 
numerose famiglie di cetacei che oggi vivono negli oceani. 



tra indizio sul misterioso antenato dei cetacei: una scatola cra- 
nica incompleta appartenuta a un animale delle dimensioni di 
un lupo - trovata tra i resti di mammiferi terrestri di 50 milioni 
di anni fa - che presentava alcuni caratteri propri dei cetacei. 
Tutti i cetacei attuali hanno peculiarità strutturali dell'orecchio, 
assenti in qualsiasi altro vertebrato. Tuttavia, sebbene il fossile 
rinvenuto mancasse degli elementi anatomici necessari alla per- 
cezione acustica direzionale sott'acqua (che è fondamentale per 
i cetacei attuali), i tratti tìpici dell'orecchio dei cetacei erano pre- 
senti. Gingerich aveva scoperto il cetaceo più vecchio e più pri- 
mitivo, un animale che aveva certamente abitudini sia terrestri 
sia marine. Esso fu battezzato Pakicetus, dal luogo del ritrova- 



mento; e da quel momento Gingerich si dedicò organicamente a 
una campagna di ricerca sugli antichi cetacei. 

Negli stessi anni, un altro gruppo recuperò ulteriori resti di 
Pakicetus - un frammento di mandibola e alcuni denti isolati - 
che rafforzarono l'ipotesi del legame con i mesonichidi grazie 
alle forti somiglianze dentarie. Dato che Pakicetus risaliva a cir- 
ca 50 milioni dì anni fa e i mesonichidi erano vissuti nello stes- 
so periodo e nella stessa area geografica, sembrava senipie più 
probabile che i cetacei fossero discesi dai mesonichidi o da una 
forma strettamente affine a essi. Rimaneva comunque irrisolta 
la questione della morfologia dei primi cetacei dal collo in giù. 

L lavoro di ricerca in Pakistan doveva però aspettare tempi 



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33 



RAPPORTI DI PARENTELA TRAI CETACEI 

La filogenesi dei cetacei mostra la discendenza dei due 
sottordini attuali, gli odontoceti e i misticeti, dagli estinti 
archeoceti. Membri rappresentativi di ogni famiglia o 
sottofamiglia di archeoceti sono raffigurati a sinistra. I diagrammi 
filogenetici illustrano le diverse ipotesi sui rapporti di parentela 
dei cetacei con gli altri mammiferi [a destra). La vecchia ipotesi 
dei mesonichidi, seconda la quale quegli animali estinti simili a 
lupi sarebbero i parenti più stretti dei cetacei, sembra oggi 
superata dalle nuove scoperte di fossili. L'astragalo degli antichi 
cetacei hai caratteri peculiari del tarso degli artiodattili; ciò fa 
pensare che i cetacei siano essi stessi artiodattili. 

Milioni di anni 
SS 50 



Anche se studi molecolari indicano che i cetacei sono più affini 
agli ippopotami chea qualsiasi altro artiodattilo, resta ancora 
da vedere se le testimonianze fossili saranno in grado di 
sostenere questa ipotesi. Un quarto scenario, indicato qui 
come nuova ipotesi dei mesonichidi, sostiene che questi 
mammiferi primitivi potrebbero ancora essere considerati i 
parenti più stretti dei cetacei se venissero inclusi nell'ordine 
degli artiodattili anziché nell'estinto ordine dei condiiartri, dove 
di solito vengono collocati. In questo caso si deve supporre 
che abbiano perso i caratteri dell'astragalo che sono peculiari 
degli artiodattili attuali. 



PAKICETUS 



1,?S metti 



■ ■&^M HI 



AMBULOCETUS 
4,15 metri 



KUTCHICETUS 
1,75 metri 



ROBHOCETUS 

3 metri "SCnf't 



AMBULOCETIDI 



l REMINGTONI 



REMINGTDNOCETIDI 







PROIOC 


ETIDI 



DORUDON 
4,5 metri 




NUOVA IPOTESI DEI MESIMCMII 



IPPrjP=IFPOPOTAMIDI 

Aflnoa=AKTIODATTlLJ ESCLUSO IPPOPOTAMO 
MES0N= MESONICHIDI 




ASIL0SAUR1DI 

DORUDONTIMI 44 ' 0DONT0CETI 



MISTICETI 



BASILQSAURINI 



più propizi. Dal 1983 Gingerich non potè più lavorare in questo 
paese a causa dell'invasione russa dell'Afghanistan e decise al- 
lora di trasferirsi in un sito nel Deserto libico dell'Egitto, a sud- 
ovest del Cairo: la Valle Zeuglodon, così denominata da resti 
fossili relativi ad antichi cetacei qui rinvenuti all'inizio del XX 
secolo e inizialmente chiamati zeuglodoni. Come il Pakistan, in 
passato anche gran parte dell'Egitto era sommersa dal mare del- 
la Tetide, sicché gli scheletri di animali che nuotavano in quel- 
l'antico mare giacciono oggi sepolti nell'arenaria. Dopo varie 
spedizioni, Gingerich e collaboratori si imbatterono in un ritro- 
vamento interessante: piccoli arti posteriori appartenenti al cor- 
po serpentiforme, lungo 18 metri, del cetaceo marino Basilosau- 
rus: era la prima testimonianza delle estremità posteriori di un 
cetaceo. 

Le precedenti scoperte relative a Basilosaurus, mostro esclusi- 
vamente acquatico vissuto tra 40 e 37 milioni di anni fa, aveva- 
no riservato solo un femore incompleto, che gli scopritori inter- 
pretarono come vestigiale. Ma le ossa ben conservate riportate 
alla luce da Gingerich, facevano pensare ad arti posteriori fun- 
zionali. Anche se, con la loro lunghezza inferiore a mezzo me- 
tro, i minuscoli arti probabilmente non aiutavano Basilosaurus 
nel nuoto né gli consentivano di deambulare sulla terraferma, 
potevano manovrare il corpo serpentiforme dell'animale duran- 
te il difficile accoppiamento subacqueo. Qualunque fosse la loro 
funzione, queste piccole zampe avevano importanti implicazio- 
ni: all'improvviso, i cetacei deambulanti sembravano plausibili. 

Infatti un animale straordinario con queste caratteristiche 
venne alla luce nel 1992, FI gruppo guidato da J.G.M, (Hans) 
Thewissen del Northeastern Ohio Universities College of Medici- 
ne recuperò nel Pakistan settentrionale, da rocce marine di 48 
milioni di anni fa, uno scheletro quasi completo di una forma a 
metà strada tra i cetacei attuali e i loro antenati terrestri. Le 
grandi zampe posteriori e la coda possente rivelavano destrezza 
nel nuoto, mentre le robuste ossa dell'arto, oltre alle articolazio- 
ni carpali e metacarpali, facevano pensare alla capacità di movi- 
mento sulla terraferma. L'animale fu chiamato Ambuìocetus na- 
tans: il cetaceo che cammina e nuota. 

Trasformisti 

Da allora, Thewissen, Gingerich e altri hanno dissotterrato 
una miriade di fossili testimoni di stadi successivi dell'evoluzio- 
ne dei cetacei dalla terra al mare. Lo scenario che emerge da 
questo materiale mostra Ambuìocetus e il suo ceppo, discenden- 
ti dai più terrestri pakicetidi, dare origine ad animali dal muso 
aguzzo, i remingtonocetidì e gli intrepidi protocetidi, i primi ce- 
tacei che furono capaci di dare il via alla conquista degli oceani 
partendo dalle coste indo-pakistane. Dai protocetidi si origina- 
rono i dorudontinì, simili a delfini e probabili progenitori sia dei 
basii osa urini dal corpo serpentiforme sia dei cetacei attuali (si 
feda la finestra nella pagina a fronte). 

Oltre a confermare la filogenesi dei cetacei, queste scoperte 
hanno permesso ai ricercatori di ricostruire molti degli straordi- 



BASILOSAURUS 
18,2 metri 




nari cambiamenti anatomici e fisiologici che hanno consentito 
ai cetacei di prendere dimora permanente negli oceani. Tra i pri- 
mi adattamenti di rilievo, come mostra Pakicetus, vi sono quelli 
relativi all'udito. Il suono si propaga in modo differente nell'ac- 
qua e nell'aria. Mentre gli orecchi dell'uomo e degli altri anima- 
li terrestri hanno membrane timpaniche delicate, adatte a rice- 
vere il suono attraverso il mezzo aereo, i cetacei attuali presen- 
tano legamenti timpanici spessi e allungati che non possono 
captare suoni. La percezione sonora è garantita da un osso, la 
bulla timpanica, che nei cetacei è molto denso e perciò in grado 
di trasmettere i suoni alte parti più interne dell'orecchio attra- 
verso un mezzo come l'acqua. In Pakicetus la bulla mostra alcu- 
ne modificazioni in questa direzione, ma conserva una mem- 
brana timpanica da mammifero terrestre, che in acqua non po- 
trebbe funzionare. 

Allora, a che cosa servivano le bulle in Pakicetus? Thewissen 
ritiene che, come le tartarughe sentono captando le vibrazioni 
del terreno attraverso lo scudo, Pakicetus possa avere usato le 
bulle per captare suoni dal terreno. Considerando i nuovi reper- 
ti dello scheletro postcramco, unitamente alla morfologia dell'o- 
recchio, si può immaginare che Pakicetus fosse un predatore 
abituato a tendere agguati lungo fiumi poco profondi, con la te- 
sta tenuta vicina a terra, in attesa di animali che andavano ad 
abbeverarsi. Thewissen ritiene ancor più probabile che Ambuìo- 
cetus abbia utilizzato questo tipo di udito, dato che possedeva i 
primi abbozzi del condotto che congìunge la mandibola all'o- 
recchio. Poggiando la mandibola a terra, Ambuìocetus poteva 
percepire, come i coccodrilli attuali, l'avvicinarsi della preda. Gli 
stessi caratteri che hanno consentito ai primi cetacei di captare i 
suoni dal terreno li preadattavano alla percezione subacquea. 

Zhe-Xi Luo del Camegie Museum of Naturai History di Pitts- 
burgh ha dimostrato, che all'epoca dei basilosaurini e dei doru- 
dontini, i primi cetacei esclusivamente acquatici, il legamento 
timpanico simile a una corda si era probabilmente già evoluto. 
Inoltre, intomo all'orecchio medio si erano formati i seni aerif'e- 
ri, probabilmente riempiti di tessuto spugnoso, capaci di offrire 
una migliore risoluzione del suono e dei segnali direzionali nel- 
la percezione subacquea. Nel frattempo, con il condotto dell'o- 
recchio esterno chiuso (prerequisito per l'immersione in profon- 
dità), la mandibola assumeva un ruolo uditivo sempre maggio- 
re, sviluppando un condotto riempito di grasso capace di ricon- 
durre indietro le onde sonore verso l'orecchio medio. 

Nella successiva evoluzione dell'udito, gli odontoceti e i mi- 
sticeti hanno preso strade diverse. Mentre i primi hanno svilup- 
pato i caratteri adatti alla produzione e alla ricezione dei suoni 
ad alta frequenza, indispensabili per l'ecolocalizzazione della 
preda, i misticeti hanno acquisito la capacità dì produrre e rice- 
vere suoni a frequenza molto bassa, in modo da comunicare tra 
loro a grande distanza, Luo afferma che le ossa dell'orecchio dei 
cetacei fossili dimostrano come circa 28 milioni di anni fa gli 
odontoceti primitivi possedessero già una parte delle strutture 
ossee necessarie alla percezione di suoni ad alta intensità e fos- 
sero perciò capaci di una modesta eco localizzazione. L'origine 
della percezione a bassa frequenza nei misticeti è assai più oscu- 
ra, anche se le testimonianze fossili di questo gruppo risalgono 
a ben 34 milioni di anni fa. 

Altri cambiamenti del cranio includono lo spo- 
stamento delle cavità oculari dalla posizione 
anteriore, come nel coccodrillo, alla sommità 
del capo in Pakicetus e Ambuìocetus, e alla 
posizione laterale prima nei più acquatici 
protocetidi, e poi nei cetacei. La narice, in- 
vece, è migrata dall'estremità del muso in 
Pakicetus alla faccia dorsale della testa nei ce- 
tacei attuali, dando origine allo sfiatatoio. Anche la dentizione 
è cambiata, passando dai molari trituranti a cuspide dei mam- 



35 



DIVENTARE MOSTRI MARINI 



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PAKICEWS 



AMBULOCETUS 



RonHocews 



DORUDQN 



rcheoceti rappresentativi della linea fi letica che conduce agli odontoceti 
e ai misticeti attuali mostrano i cambiamenti anatomici che hanno 
permesso la conquista dei mari [in grigio le ossa ricostruite). In 15 milioni di 
anni i cetacei hanno persole caratteristiche terrestri e acquisita quelle 
acquatiche. Gli arti posteriori si sono ridotti, quelli anteriori si sono 
trasformati in pinne e la colonna vertebrale si è evoluta per consentire il 
nuoto a propulsione caudale. Anche il cranio si è modificato per consentire la 
percezione dei suoni sott'acqua, la narice è retrocessa sulla parte dorsale 
del capo e i denti si sono semplificati per afferrare, invece di frantumare, la 
preda. Solo più tardi i fanoni hanno rimpiazzato i denti dei misticeti. 



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MISTICETO VIVENTE 



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OOONTOCETO VIVENTE 



mi feri primitivi ai denti a punta degli odontoceti attuali, che af- 
ferrano e inghìottono il cibo senza masticarlo. 1 misticeti perdo- 
no completamente i denti e sviluppano lamine cornee (fanoni) 
che pendono dalla mascella e filtrano il plancton. 

Gli adattamenti che hanno comportato le più profonde tra- 
sformazioni anatomiche nei cetacei sono quelli relativi alla loro 
forma aerodinamica e alle loro capacità natatorie, insuperate nel 
regno animale. Non sorprende che lungo la strada evolutiva sia- 
no comparse alcune bizzarre forme anfibie, come Ambuiocetus, 
che ha conservato le articolazioni dell'arto anteriore degli ante- 
nati terrestri e presenta un cinto pelvico capace di sostenere il 
peso corporeo sulla terraferma. Ma gli arti posteriori di questo 
animale, sproporzionatamente grandi, e le zampe simili a pagaie 
Io avrebbero fatto camminare un po' goffamente. Tuttavia que- 
sti caratteri erano perfetti per gli spostamenti nelle acque basse 
della Tetide, ricchissime di pesci. 

Allontanarsi verso il mare aperto richiedeva ulteriori modifi- 
cazioni, molte delle quali comparvero nei protocetidi. Il paleon- 
tologo William J. Sanders dell'Università del Michigan sottoli- 
nea come diversi studi su un membro di questo gruppo, Rodho- 
cetus, indichino che le ossa dei suoi arti posteriori erano appiat- 
tite e sulla strada di diventare idrodinamicamente efficienti e 
che le dita lunghe e delicate erano probabilmente unite da una 
membrana, come pinne, Rodhocetus mostra anche adattamenti 
acquatici nel cinto pelvico, dove la fusione delle vertebre che 
formano il sacro è ridotta, e lascia libera la parte terminale della 
colonna vertebrale per potenziare i movimenti della coda. Que- 
sti caratteri inducono a pensare che Rodhocetus potesse effettua- 
re un tranquillo nuoto a bassa velocità in superficie, e una com- 
binazione di rapidi movimenti degli arti posteriori, simili a quel- 
la della lontra, e di propulsione della coda sott'acqua. Quando si 
spostava sulla terraferma per riprodursi o per crogiolarsi al sole, 
probabilmente Rodhocetus si muoveva ondeggiando come un 
leone marino o un'otaria. 

All'epoca dei basilosaurini e dei dorudontini i cetacei diventa- 
no esclusivamente acquatici. Come nei cetacei attuali l'articola- 
zione della spalla rimase funzionale, mentre quelle carpale e me- 
tacarpale divennero rigide, dando origine alle pinne, che aveva- 
no una funzione di direzione e di equilibrio. Nella regione poste- 
riore dello scheletro rimasero solo piccoli arti, e di conseguenza 
il cinto pelvico si ridusse. Analisi sulle vertebre di Dorudon, con- 
dotte da Mark D. Uben del Cranbrook Institute of Science di 



Bloomfield Hìlls, nel Michigan, hanno messo in luce una verte- 
bra della coda caratterizzata da profilo arrotondato. Nei cetacei 
attuali le vertebre terminali, alla base dei due lobi caudali, sono 
molto piccole e tondeggianti. Si ritiene che i basilosaurini e i do- 
rudontini possedessero una coda e nuotassero come i cetacei at- 
tuali, mediante la cosiddetta oscillazione caudale. In questo tipo 
di locomozione energeticamente efficiente, la propulsione è data 
dal movimento verso l'alto e verso il basso dei lobi caudali, il cui 
sollevamento si origina lungo la colonna vertebrale. 

Rimane ignoto il momento in cui i cetacei persero gli arti. In 
effetti una recente scoperta di Lawrence G. Barnes del Naturai 
History Museum of Los Angeles County ha rivelato arti poste- 
riori sorprendentemente ben sviluppati in un misticeto di 27 mi- 
lioni di anni fa rinvenuto nello Stato dì Washington, facendo 
pensare che gli arti si siano conservati più a lungo di quanto si 
ritenesse. Oggi tuttavia, a circa 50 milioni di anni dalla conqui- 
sta delle calde acque della Tetide, effettuata dai loro lontani an- 
tenati quadrupedi, i cetacei appaiono tipicamente privi di ap- 
pendici. 1 loro arti posteriori si sono ridotti a vestigia non visibi- 
li esternamente, come pure il cinto pelvico, divenuto semplice 
punto d'attacco per piccoli muscoli estranei alla locomozione. 

Sollevare onde 

I fossili scoperti negli anni ottanta e novanta hanno reso pos- 
sibili notevoli progressi nella conoscenza dell'evoluzione dei ce- 
tacei, e tutti i riscontri morfologici indicavano un'origine meso- 
nichide. Tuttavia in laboratori di genetica degli Stati Uniti, del 
Belgio e del Giappone stava nascendo un'altra teoria sull'origine 
dei cetacei. I biologi molecolari, grazie a tecniche sofisticate per 
l'analisi del DNA dei viventi, hanno fatto un passo avanti rispet- 
to alle ricerche immuuologiche di Boyden degli anni sessanta, 
scoprendo che i cetacei non solo risultavano più affini agli ar- 
tiodattili di qualsiasi altro mammifero vivente, ma erano artio- 
dattili essi stessi: uno dei numerosi rami evolutivi di questo 
gruppo di mammiferi. Inoltre diversi studi hanno indicato note- 
vole affinità tra cetacei e ippopotami. Una prova molto signifi- 
cativa è scaturita nel 1999 dall'analisi di frammenti di DNA non 
codificante, i SINES (Short INterspersed Elements), condotta da 
Norihiro Okada e colleglli del Tokyo Institute of Technology. 

La relazione cetacei- ippopotamo non ha avuto molta presa 
tra i paleontologi. «Ho pensato che fossero pazzi» ricorda Ginge- 



rich. «Tutti i nostri reperti erano coerenti con un'origine mesoni- 
chide. Ero soddisfatto di ciò e anche del legame con gli artiodat- 
tili attraverso i mesonichidi.» Mentre i mesonichidi sono com- 
parsi al momento giusto, nel posto giusto e con le forme giuste 
per essere considerati progenitori dei cetacei, le testimonianze 
fossili non sembravano comprendere, per tempi, luoghi e 
morfologia, un artiodattilo quale plausibile antenato dei cetacei, 
per non parlare dì uno specifico legame fra cetacei e ippopota- 
mi. Anche Thewìssen aveva rifiutato i dati del DNA. «Ma smisi 
dì ignorarli quando vide la luce il lavoro di Okada sui SINES» 
continua. 

Sembrava che la controversia potesse essere risolta solo dal 
ritrovamento di un antico tarso di cetaceo. Tradizionalmente i 
morfologi definiscono gli artiodattili sulla base di certi caratteri 
di un osso del tarso, l'astragalo, che ne rende possibile il movi- 
mento. Nel caso specifico l'astragalo degli artiodattili ha due 
facce articolari scanalate (come una carrucola) ; l'una sì connet- 
te alla tibia, e l'altra si articola in posizione distale con altre os- 
sa. Si pensava che, se i cetacei fossero derivati dagli artiodattili, 
quelli non ancora completamente adattati alla vita marina 
avrebbero presentato questo astragalo a facce scanalate. 

Questa tessera del puzzle trovò il suo posto lo scoreo autunno, 
quando Thewìssen e Gingerich annunciarono indipendente- 
mente nuove scoperte dì resti di cetacei primitivi. Nella regione 
orientale del Belucistan il gruppo di Gingerich aveva rinvenuto 
scheletri parzialmente articolati di Rodhocetus balochìstanensis e 



L'ARTO POSTERIORE DI UN ANTICO CETACEO, Rodhocetus , conserva 

fortunatamente un osso della zampa, l'astragalo 

(□destro). Nel riquadro, oltre all'astragalo di mesonichide (1], sono 

illustrati quello di un artiodattilo attuale [2] e quello di Rodhocetus (3) 

che mostra il solco a doppia carrucola tipico dell'astragalo 

di tutti gli artiodattili. Ciò fa pensare che i cetacei derivino non 

dai mesonichidi, come si era supposto in precedenza, 

ma da un antico artiodattilo. 





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9? 



Acqua, acqua ovunque 

La maggior pane dei mammiferi, e in particolare i più grandi, 
non può vivere senza acqua dolce; ma, soprattutto peri 
mammiferi marini, essa è difficile da reperire. Le foche e i leoni 
marini estraggono la maggior parte dell'acqua dal cibo [alcuni 
ingeriscono perfino neve per ricavarne acqua) e i m anati la 
bevono regolarmente dai fiumi. I cetacei, da parte loro, la 
ricavano sia dal cibo sia dal mare. 

In quale momento i cetacei, che si sono evoluti da un 
mammifero terrestre abbastanza grande [e perciò dipendente 
dall'acqua dolce], hanno sviluppalo un sistema capace di 
eliminare l'eccesso di sale associato all'ingestione di acqua 
marina? Alcuni indizi vengono fomiti dall'analisi degli isotopi 
dell'ossigeno. In natura l'ossigeno sì presenta principalmente 
in due forme: 0-160 e 0-180. La percentuale dì questi isotopi è 
diversa nell'acqua dolce e nell'acqua salata, e nel mare prevale 
l'isotopo più pesante. Poiché i mammiferi durante lo sviluppo 
individuale fissano nei denti e nelle ossa l'ossigeno 
dell'acqua, dai resti fossili si possono riconoscere gli animali 
che ingeriscono acqua marina da quelli che introducono 
acqua dolce. 

J.G.M. [Hans] Thewissen del Northeastern Ohio Universities 
College of Medicine e collaboratori hanno analizzato la 
percentuale degli isotopi dell'ossigeno nei denti dei cetacei 



primitivi, per ricavare indizi sul momento ìn cui questi animali 
passarono dall'osmoregolazione d'acqua dolce a quella 
d'acqua salata. I valori isotopici dell'ossigeno peri pakicetidi - i 
cetacei più primitivi - indicano che essi introducevano acqua 
dolce perché trascorrevano la maggior parte del loro tempo 
sulla terraferma, come d'altra parte si ricava da altri indizi. Il 
valore isotopico di Ambutocetus è molto variabile, tanto che ìn 
alcuni campioni non si rilevano indizi di vita in acqua salata. 
Perspiegare questa stranezza i ricercatori fanno notare che, 
sebbene Ambutocetus passasse la maggior parte del suo 
tempo in mare (come si deduce dal fatto che i suoi resti sono 
stati rinvenuti in rocce marine), poteva spostarsi sulla 
terraferma alla ricerca dell'acqua, oppure trascorreva la prima 
parte della vita [quando i denti sì mineralizzavano] ìn acque 
dolci, e successivamente si spostava in mare. 

I protocetidi, che mostrano uno scheletro più adattato alla 
vita acquatica, presentano solo valori isotopici da acqua di 
mare, il che significa che introducevano solo acqua salata. 
Quindi, solo pochi milioni di anni dopo la comparsa dei primi 
cetacei, i loro discendenti avevano iniziato ad adattarsi a 
concentrazioni crescenti di sale. Senza dubbio questa 
innovazione fisiologica ebbe un ruolo importante nel facilitare 
i processi di diffusione dei protocetidi nel mondo. 



di un nuovo genere di protocetidi, Artiocetus. Thewissen e colle- 
ghi avevano invece recuperato parte dello scheletro postcranico 
di Pakicetus da uno strato fossilifero nelle colline di Kala Chìtta 
nel Panjab (Pakistan), oltre a quello di un membro più piccolo 
della famiglia dei pakicetidi, Ichthyolestes. Ciascuno presentava 
un astragalo con i caratteri tipici da artiodattilo. 

Le ossa del tarso convinsero entrambi i sostenitori dell'ipotesi 
dei mesonichidi che i cetacei si fossero invece evoluti dagli ar- 
tiodattili. Gingerich ha perfino preso in considerazione l'ipotesi 
dell'ippopotamo. Sebbene questi animali siano comparsi molto 
dopo i cetacei, i loro antenati - animali di dimensioni interme- 
die tra un cane e un cavallo che vivevano in zone umide (antra- 
coteri) - risalgono almeno all'Eocene medio e possono perciò 
avere un antenato in comune con i cetacei. Di fatto, Gingerich 
sottolinea come Rodhocetus e gli antracoteri condividessero ca- 
ratteri dell'arto anteriore mai rinvenuti in alcun artiodattilo suc- 
cessivo. Thewissen oggi conviene che l'ipotesi dell'ippopotamo 
appaia molto più plausibile di un tempo, ma ricorda che ì dati 
morfologici non indicano ancora uno specifico artiodattilo, co- 
me l'ippopotamo, quale parente più prossimo dei cetacei. 

E che dire allora delle prove che sembravano legare i primi 
cetacei ai mesonichidi? Alla luce dei nuovi dati sul tarso, la 
maggior parte dei ricercatori pensa che queste somiglianze riflet- 
tano una convergenza evolutiva piuttosto che la condivisione di 
un antenato e che i mesonichidi rappresentino una linea evoluti- 
va a fondo cieco. Non tutti però ne sono convinti. Maureen 0' 
Leary della State University of New York a Stony Brook sostiene 
che finché tutte le prove disponibili, morfologiche e molecolari, 
non si accorderanno in un'unica analisi filogenetica, rimane la 
probabilità che i mesonichidi siano all'origine della filogenesi dei 
cetacei. Si può supporre che i mesonichidi siano realmente anti- 
chi artiodattili, ma che in essi l'evoluzione del tarso sia regredita. 
Se è così, i mesonichidi sarebbero ancora il gruppo più prossimo 
ai cetacei e l'ippopotamo potrebbe rappresentare il parente vi- 



vente più vicino [si veda la finestra a pagina 94). 1 detrattori di 
questa teoria affermano che, sebbene porre i mesonichidi nell'or- 
dine degli artiodattili offra una sorta di scappatoia ai sostenitori 
dell'ipotesi che li riguarda, ciò rivoluzionerebbe il tradizionale 
concetto secondo cui «il tarso fa l'artiodattilo». 

I ricercatori ritengono che per comprendere l'esatta relazione 
tra artiodattili e cetacei sarà molto probabilmente necessario il 
ritrovamento di ulteriori fossili, che siano in grado di far luce 
sulla comparsa degli artiodattili in generale e degli ippopotami 
in particolare. D'altra parte, anche se questi dettagli sono ancora 
irrisolti, la storia dei cetacei dalla loro origine fino alla fine degli 
archeoceti sta cominciando a essere molto più chiara. 

D passo successivo sarà capire in che modo i misticeti e gli 
odontoceti si siano originati dagli archeoceti e quando siano 
comparse le caratteristiche attuali di questi animali. Se ì pro- 
gressi degli ultimi due decenni hanno valore di precedente, si 
può sperare che le risposte a molte annose domande stiano per 
affiorare dalle sabbie del tempo. 



BIBLIOGRAFIA 



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tionary Pattems in the Orìgin of Cetacea, Plenum Publishing, 
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